第27章活動銀河・クエーサー・超大質量ブラックホールActive Galaxies, Quasars, and Supermassive Black Holes

We have seen that the material in galaxies can influence the growth of the black hole. The black hole in turn can also influence the galaxy in which it resides. It can do so in three ways: through its jets, through winds of particles that manage to stream away from the accretion disk, and through radiation from the accretion disk. As they stream away from the black hole, all three can either promote star formation by compressing the surrounding gas and dust—or instead suppress star formation by heating the surrounding gas and shredding molecular clouds, thereby inhibiting or preventing star formation. The outflowing energy can even be enough to halt the accretion of new material and starve the black hole of fuel. Astronomers are still trying to evaluate the relative importance of these effects in determining the overall evolution of galactic bulges and the rates of star formation.

銀河の物質がブラックホールの成長に影響することを見てきた。今度は逆に、ブラックホールも、それが存在する銀河に影響を及ぼしうる。その経路は三つある。ジェット、降着円盤から外へ流れ出す粒子の風、そして降着円盤からの放射である。これらはブラックホールから外へ進みながら、周囲のガスと塵を圧縮して星形成を促すこともあれば、逆にガスを加熱して分子雲をばらばらにし、星形成を妨げたり止めたりすることもある。流れ出すエネルギーが、新しい物質の降着を止めるほど強くなり、ブラックホール自身の燃料を断ってしまう場合さえある。天文学者は現在も、銀河バルジ全体の進化や星形成率を決めるうえで、これらの効果がそれぞれどれほど重要なのかを評価しようとしている。

In summary, we have seen how galaxies and supermassive black holes can each influence the evolution of the other: the galaxy supplies fuel to the black hole, and the quasar can either support or suppress star formation. The balance of these processes probably helps account for the correlation between black hole and bulge masses, but there are as yet no theories that explain quantitatively and in detail why the correlation between black hole and bulge masses is as tight as it is or why the black hole mass is always about 1/200 times the mass of the bulge.

ここまでで、銀河と超大質量ブラックホールが互いの進化に影響する仕組みを見てきた。銀河はブラックホールに燃料を供給し、クエーサーは星形成を促すことも抑えることもある。これらの過程の釣り合いは、ブラックホールの質量とバルジの質量との相関を説明する助けになるだろう。しかし、なぜこの相関がこれほど強いのか、また、なぜブラックホールの質量が常にバルジの質量の約200分の1になるのかを、定量的かつ詳しく説明する理論は、まだない。

While the connection between quasars and galaxies is increasingly clear, the biggest puzzle of all—namely, how the supermassive black holes in galaxies got started—remains unsolved. Observations show that they existed when the universe was very young. One dramatic example is the discovery of a quasar that was already shining when the universe was only 700 million years old. What does it take to create a large black hole so quickly? A related problem is that in order to eventually build black holes containing more than 2 billion solar masses, it is necessary to have giant “seed” black holes with masses at least 2000 times the mass of the Sun—and they must somehow have been created shortly after the expansion of the universe began.

クエーサーと銀河の結び付きは、ますます明らかになっている。それでも最大の謎、すなわち銀河の超大質量ブラックホールがどう誕生したのかは、未解決のままである。観測によれば、それらは非常に若い宇宙にも存在した。顕著な例として、宇宙が誕生してわずか7億年の時点ですでに輝いていたクエーサーが発見されている。それほど短い時間で大きなブラックホールを作るには、何が必要なのだろうか。関連する問題として、最終的に太陽の20億倍を超える質量のブラックホールを作るには、太陽の少なくとも2000倍の質量を持つ巨大な「種」のブラックホールが必要になる。そして、この種は、宇宙の膨張が始まってまもなく、何らかの方法で作られていなければならない。

Astronomers are now working actively to develop models for how these seed black holes might have formed. Theories suggest that galaxies formed from collapsing clouds of dark matter and gas. Some of the gas formed stars, but perhaps some of the gas settled to the center where it became so concentrated that it formed a black hole. If this happened, the black hole could form right away—although this requires that the gas should not be rotating very much initially.

天文学者は現在、こうした種のブラックホールがどのように形成されたのかを説明するモデルの研究を進めている。理論によると、銀河はダークマターとガスの雲が収縮して形成された。ガスの一部は恒星になったが、別の一部は中心へ集まり、極端に集中したためにブラックホールになったのかもしれない。そのような過程なら、ブラックホールはすぐに形成されうる。ただし、そのためには、ガスが初めにあまり回転していないことが必要である。

A more likely scenario is that the gas will have some angular momentum (rotation) that will prevent direct collapse to a black hole. In that case, the very first generation of stars will form, and some of them, according to calculations, will have masses hundreds of times that of the Sun. When these stars finish burning hydrogen, just a few million years later, the supernovae they end with will create black holes a hundred or so times the mass of the Sun. These can then merge with others or accrete the rich gas supply available at these early times.

より起こりやすい筋書きは、ガスがある程度の角運動量、つまり回転を持っており、それがブラックホールへの直接崩壊を妨げるというものである。その場合、最初の世代の恒星が形成される。計算によれば、その中には太陽の数百倍の質量を持つものもある。わずか数百万年後に水素を燃やし終えると、こうした恒星は最後に超新星となり、太陽の100倍程度の質量のブラックホールを作る。その後、これらは互いに合体することも、初期宇宙に豊富にあったガスを降着させることもできる。

The challenge is growing these smaller black holes quickly enough to make the much larger black holes we see a few hundred million years later. It turns out to be difficult because there are limits on how fast they can accrete matter. These should make sense to you from what we discussed earlier in the chapter. If the rate of accretion becomes too high, then the energy streaming outward from the black hole’s accretion disk will become so strong as to blow away the infalling matter.

難しいのは、こうした小さめのブラックホールを十分に速く成長させ、数億年後に観測される、はるかに大きいブラックホールを作ることである。物質を降着できる速さには限界があるため、これは容易ではない。その理由は、この章の前半の議論から理解できるだろう。降着率が高くなりすぎると、ブラックホールの降着円盤から外へ流れるエネルギーが非常に強くなり、落ち込もうとする物質を吹き飛ばしてしまう。

What if, instead, a collapsing gas cloud doesn’t form a black hole directly or break up and form a group of regular stars, but stays together and makes one fairly massive star embedded within a dense cluster of thousands of lower mass stars and large quantities of dense gas? The massive star will have a short lifetime and will soon collapse to become a black hole. It can then begin to attract the dense gas surrounding it. But calculations show that the gravitational attraction of the many nearby stars will cause the black hole to zigzag randomly within the cluster and will prevent the formation of an accretion disk. If there is no accretion disk, then matter can fall freely into the black hole from all directions. Calculations suggest that under these conditions, a black hole even as small as 10 times the mass of the Sun could grow to more than 10 billion times the mass of the Sun by the time the universe is a billion years old.

では、収縮するガス雲が、直接ブラックホールになったり、分裂して普通の恒星の集団になったりせず、一まとまりのまま残るとしたらどうだろうか。そして、比較的大質量の恒星を一つ作り、その周囲を、何千もの低質量星からなる密な星団と、大量の高密度ガスが取り巻くとしたらどうだろうか。この大質量星の寿命は短く、まもなく崩壊してブラックホールになる。すると、周囲の高密度ガスを引き寄せ始める。しかし計算によると、近くの多数の恒星による重力がブラックホールを星団の中で不規則にジグザグ運動させ、降着円盤の形成を妨げる。降着円盤がなければ、物質はあらゆる方向から自由にブラックホールへ落ち込める。計算が示すところでは、この条件のもとなら、太陽のわずか10倍の質量のブラックホールでさえ、宇宙の年齢が10億年になるまでに、太陽の100億倍を超える質量に成長しうる。

Scientists are exploring other ideas for how to form the seeds of supermassive black holes, and this remains a very active field of research. Whatever mechanism caused the rapid formation of these supermassive black holes, they do give us a way to observe the youthful universe when it was only about five percent as old as it is now.

超大質量ブラックホールの種を作る方法について、研究者はほかの案も探究しており、今なお活発な研究分野である。これらのブラックホールを短期間で作り上げた仕組みが何であれ、その存在によって、現在のわずか約5％の年齢だった若い宇宙を観測できるのである。