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SCIENTIFIC AMERICAN February 2018

The First Monster Black Holes

浮上した直接崩壊シナリオ

By Priyamvada Natarajan P. ナタラジャン
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Imagine the universe in its infancy. Most scientists think space and time originated with the big bang. From that hot and dense start the cosmos expanded and cooled, but it took a while for stars and galaxies to start dotting the sky. It was not until about 380,000 years after the big bang that atoms could hold together and fill the universe with mostly hydrogen gas. When the cosmos was a few hundred million years old, this gas coalesced into the earliest stars, which formed in clusters that clumped together into galaxies, the oldest of which appears 400 million years after the universe was born. To their surprise, scientists have found that another class of astronomical objects begins to appear at this point, too: quasars.  生まれたての宇宙を想像してみよう。時空はビッグバンとともに生じたと大多数の科学者は考えている。その高温・高密度の開闢以来,宇宙は膨張しながら冷却したが,星や銀河が天空に点在し始めるまでにはしばしの時間を要した。ビッグバンから約38万年後,原子が存在できるようになり,宇宙は水素を主成分とするガスで満たされた。数億年後,このガスが集積して第1世代の星(初代星)が誕生した。これらの星は星団を作り,さらに集まって銀河を形成した。最古の銀河は宇宙誕生から約4億年後に出現した。驚くことに,同時期に別種の天体も現れ始めたことがわかっている。クエーサーだ。
Quasars are extremely bright objects powered by gas falling onto supermassive black holes. They are some of the most luminous things in the universe, visible out to the farthest reaches of space. The most distant quasars are also the most ancient, and the oldest among them pose a mystery.  クエーサーは超大質量ブラックホールに落ち込むガスをエネルギー源とする極めて明るい天体だ。宇宙で最も明るい天体の1つで,最遠の宇宙でも確認できる。極めて遠方のクエーサーは同時に極めて古く,中でも最古のクエーサーが研究者に謎を突き付けている。
To be visible at such incredible distances, these quasars must be fueled by black holes containing about a billion times the mass of the sun. Yet conventional theories of black hole formation and growth suggest that a black hole big enough to power these quasars could not have formed in less than a billion years. In 2001, however, with the Sloan Digital Sky Survey, astronomers began finding quasars that dated back earlier. The oldest and most distant quasar known, which was reported last December, existed just 690 million years after the big bang. In other words, it does not seem that there had been enough time in the history of the universe for quasars like this one to form.  そのような遠方にあるクエーサーを私たちが観測できるには,約10億太陽質量のブラックホールによってその活動が維持されていなければならない。ブラックホールの形成と成長に関する従来の理論では,これらのクエーサーを輝かせられるほど大きなブラックホールを10億年よりも短期間に形成することは不可能だ。
 ところが2001年以降,従来の理論では存在しえない時期のクエーサーがスローン・デジタル・スカイ・サーベイによって複数見つかっている。既知で最古,つまり最遠のクエーサーは昨年12月に報告されたもので,ビッグバンからわずか6億9000万年後に存在していた。そのようなクエーサーの形成に必要な時間が経過するには宇宙の年齢が足りていないわけだ。
Many astronomers think that the first black holes—seed black holes—are the remnants of the first stars, corpses left behind after the stars exploded into supernovae. Yet these stellar remnants should contain no more than a few hundred solar masses. It is difficult to imagine a scenario in which the black holes powering the first quasars grew from seeds this small.  最初のブラックホールのタネは第1世代の星が超新星爆発を起こした際の残骸だと多くの天文学者は考えている。だが,そうした残骸が数百太陽質量以上になることはない。最初のクエーサーを輝かせるほど大きなブラックホールがそんなに小さなタネから成長するシナリオは想像し難い。
To solve this quandary, a decade ago some colleagues and I proposed a way that seed black holes massive enough to explain the first quasars could have formed without the birth and death of stars. Instead these black hole seeds would have formed directly from gas. We call them direct-collapse black holes (DCBHs).  この難題を解決するために,私と数人の共同研究者は10年ほど前,最初のクエーサーを説明するのに十分な質量を持つタネブラックホールが星の誕生と死を経ずに形成されるシナリオを提案した。タネブラックホールがガス円盤から直接形成されたというものだ。このシナリオでできたブラックホールを私たちは「直接崩壊型ブラックホール(DCBH)」と呼んでいる。