Goldilocks Black Holes


By Jenny E. Greene J. E. グリーン
English 日本語 日本語
Astronomers have known for some 10 years that nearly every large galaxy contains at its core an immense black hole—an object having such intense gravity that even light cannot escape. The death of stars can produce small black holes—with masses ranging from about three to 100 times the mass of the sun—but such stellar-mass black holes are tiny compared with the behemoths at the centers of galaxies, measuring millions to billions of solar masses.  ほぼすべての巨大銀河の中心には,巨大なブラックホールが存在している。これは天文学者の間で数十年来よく知られてきた事実だ。ブラックホールはその強い重力のために,光さえも逃れることのできない天体だ。星が崩壊すると,小さなブラックホール(といっても,その質量は太陽の3〜100倍)が生まれることがある。だが,そのような恒星質量ブラックホールは,太陽の数百万倍から数十億倍もの質量を持つ銀河中心の巨獣,超大質量ブラックホールに比べれば,極めて小さい。
These supermassive black holes pose major puzzles: Why are they so common in galaxies? Which came first—the galaxy or the hole? And how did they form in the first place?  超大質量ブラックホールは様々な謎を提起している。それらはなぜ銀河中心に普遍的に存在するのか? 銀河とブラックホールのどちらが先にできたのか? そもそもそれらはどのように形成されたのか?
The mystery is intensified because supermassive black holes were already in place when the universe was very young. Last June, for instance, astronomers reported the earliest example detected so far—a hole of about two billion solar masses that existed 13 billion years ago, a mere 770 million years after the big bang. How could black holes get so big so quickly?  宇宙がとても若かったときに超大質量ブラックホールがすでに存在していたという事実によって,謎はさらに深まる。昨年6月には,観測史上最も古いブラックホールが報告された。130億年も前(ビッグバンからたった7億7000万年後)に,20億太陽質量のブラックホールが存在していたというのだ。ブラックホールはいかにして,そんなに早く巨大になれたのだろう。
Such rapid formation is perplexing because although black holes have a reputation as mighty vacuum cleaners, they can also act like immense leaf blowers. Gas falling toward a black hole ends up swirling around the hole in a huge disk, the so-called accretion disk. The material heats up and emits radiation, particularly as it approaches the point of no return at the inner margins of the disk. The radiation pushes away other infalling material, limiting how fast the hole can ordinarily grow by accretion. Physicists calculate that a black hole sucking in surrounding matter continuously at its maximal rate would double its mass every 50 million years. That is too slow for a “seed” black hole of stellar mass to grow into a billion-sun monster in less than a billion years.  ブラックホールは強力な“掃除機”として有名だが,同時にすさまじい“送風機”としても働くので,このような急成長は不可解に思える。ブラックホールに落下するガスは,最終的にブラックホールを回る巨大なガス円盤「降着円盤」に落ち着く。ガス物質は,特にガス円盤の最内縁にある回帰不能点に近づくと高温になり,光り輝くようになる。この降着円盤内部からの強い放射によって,周辺から落下してくるガスが吹き飛ばされるので,降着によるブラックホールの成長速度に制限がかかる。
Astrophysicists have proposed two general ways for seed black holes to form. The first, considered for many years, assumes that the earliest huge black holes were indeed the remnants of stars. The first stars ever to have taken shape in the universe were likely to have been extremely massive compared with those that came later, such as our sun, because the primordial gas clouds were free of elements that help the gas to cool and form smaller clumps. These big stars would have burned out fast and produced black holes of perhaps 100 times the mass of the sun.  タネブラックホールの形成モデルとして,2つのシナリオが提案されている。何年も前から検討されている第1のモデルでは,最古の巨大なブラックホールは最初の星々の残滓だと仮定する。宇宙で初めて形を成した最初の星々は,太陽などの後代の星と比べると非常に重かったようだ。というのも,原初のガス雲は重元素を含んでいなかったため,効果的に冷えて小さな塊を形成することが難しかったからだ。こうした巨大な星は早々に燃え尽き,100太陽質量程度のブラックホールが生まれただろう。