世界初！129億年前の初期宇宙で巨大ブラックホールの住む親銀河を検出～すばる×JWSTで銀河・巨大ブラックホールの黎明期に迫る～

2023-06-29 東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構

図1. ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) の近赤外線カメラ NIRCam を用いて波長3.56 マイクロメートルの赤外線で観測したクェーサー HSC J2236+0032 の画像 (Credit: Ding, Onoue, Silverman et al.)。左からズームアウトして小さく表示した画像、クェーサー画像、画像からブラックホールの光を差し引いた親銀河の画像。クェーサー画像の雪の結晶のような形状の光は微小な領域から放たれた光が望遠鏡の光学系によって広がって観測されているもので、実際の光の分布とは異なる。また画像の色は天体の明るさを示すもので、実際に肉眼に見える色とは異なる。

1. 発表概要
東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構 (Kavli IPMU) の Xuheng Ding (シューヘンディン) 特任研究員と John Silverman (ジョンシルバーマン) 教授、北京大学カブリ天文天体物理研究所 (PKU-KIAA) の尾上匡房 (おのうえまさふさ) カブリ天体物理学フェローを中心とし、東京大学大学院理学系研究科、愛媛大学、国立天文台の研究者らが参加する国際共同研究チームは、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST, 注1) を用いて129億年前 (注2) の宇宙に存在するクェーサー2天体を観測し、中心に活動的な巨大ブラックホールが潜む銀河の姿を初期宇宙で初めて捉えることに成功しました。本成果は近傍宇宙で知られる銀河と巨大ブラックホールとの密接な相関関係の起源を探る上で、非常に重要な進歩と言えます。また、観測されたクェーサーは共にすばる望遠鏡によって発見された初期宇宙で代表的な明るさの天体で、世界有数の広視野探査能力を誇るすばる望遠鏡と世界最先端のJWSTの強力な組み合わせによって実現した成果です。現在も続く研究チームのJWST観測からは今後も更なる研究の進展が期待されます。本研究成果は、英国の国際学術誌「Nature」のオンライン版に英国夏時間2023年6月28日付で掲載されました。

2. 発表内容
〈研究の背景〉
我々の住む天の川銀河をはじめ、ほとんどの銀河の中心部には太陽の10万倍から数100億倍の重さを持つ巨大ブラックホールが存在することが知られています。特に、中心のブラックホールにガスや星が落ち込み一部のエネルギーを解放することで非常に明るく輝く天体はクェーサーと呼ばれ、初期宇宙の重要な観測対象になっています。近年ではイベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）による「ブラックホール・シャドウ」の検出や、天の川銀河中心の巨大ブラックホール観測研究に対してノーベル物理学賞が授与されるなど、ブラックホール観測は天文学の中でも注目を集める分野になっています。一方で多くの謎も残されており、特に巨大ブラックホールが初期宇宙でどのようにして形成されたのかについては未だ解決されていません。さらに不思議なことに、現在の宇宙では銀河中心のブラックホールとそれを抱える親銀河は、大きさが10桁も違うにも関わらず、両者の重さに強い正の相関があることが知られており、どうしてこのような関係があるのかは天文学の大きな謎の一つとなっています。このような銀河と巨大ブラックホールの関係性が宇宙のどの時代から始まり、お互いにどのように影響を与えて成長してきたのかを明らかにする為には、なるべく過去の宇宙に存在するクェーサーの親銀河の観測が不可欠です。しかし初期宇宙ともなると銀河の見かけの大きさは小さく、明るさも暗くなり、さらに明るく輝くクェーサーの光に埋もれてしまうため、親銀河の光を分離して捉えることは極めて困難になります。数十年にわたり様々な天文学の成果を挙げてきたハッブル宇宙望遠鏡 (HST, 注3) を用いても、こうした観測は宇宙誕生後30億年頃（現在から見て約100億年前）までが限界でした。

〈研究の内容〉
今回、本研究チームは、HST の後継として2021年12月25日に打ち上げられた最新鋭の JWST を用いて赤方偏移 z ～ 6を超える129億年前の宇宙に存在するクェーサー2天体を観測し、それらのクェーサーが属する親銀河の星の光を捉えることに世界で初めて成功しました。JWST は打ち上げの前年にあたる2020年初めに世界中の研究者に向けて、科学運用を開始する初めの年となる2022年に行う観測計画 (サイクル1) を募集しました。本研究チームの今回の観測は、尾上匡房氏を主任研究者とするサイクル1の観測計画として採択されていたものです。本研究チームは JWST の近赤外線カメラ NIRCam を用いて2022年10月26日にクェーサー HSC J2255+0251 を観測、同年11月6日にクェーサー HSC J2236+0032 を観測しました。これらのクェーサーは、すばるHSC 戦略枠観測プログラム (HSC-SSP, 注4) と呼ばれる、すばる望遠鏡の超広視野主焦点カメラ HSC による大規模撮像探査によって発見されていた天体です（2019年3月13日国立天文台ハワイ観測所の記事「超遠方宇宙に大量の巨大ブラックホールを発見」を参照）。HSC-SSP は口径8.2メートルと大型のすばる望遠鏡を使っているため、他の同種の撮像探査計画に比べて暗い天体を捉えることに適しています。この HSC-SSP を使うことで本研究チームはこれまでに160個を超えるクェーサーを初期宇宙に発見しており、その多くが同じ時代で知られた他のクェーサーと比べて10倍ほど暗い、当時の宇宙の代表的な明るさのものです。本研究チームは、これらの暗いクェーサーであればその光に邪魔されることなく親銀河の星の光を捉えられるのではと予想し、今回の JWST 観測のターゲットに選びました。

今回の観測では、JWSTの撮像装置 NIRCam を用いて2天体を約1時間ずつ観測し、波長1.50マイクロメートル（注5）、3.56マイクロメートルの2つの近赤外線の画像を取得しました（図1）。巨大ブラックホールからの光は本来微小な領域から放射されていますが、望遠鏡で得られた画像上では複数の画素にわたって広がって観測されます。この光をクェーサーの画像上から差し引くために、研究チームはブラックホールと同様にコンパクトな星を使いました。ターゲットのクェーサー周囲に映った星の画像を使って微小領域からの光の広がり方をモデル化し、それを差し引くことで空間的に広がった親銀河の光の成分のみが抽出できるのです。この手法は、以前に HST の低赤方偏移クェーサーの画像解析のためにXuheng Ding 特任研究員が中心となって開発したものです。図1（右）が HSC J2236+0032で検出された波長3.56マイクロメートルでの親銀河の画像を示しています。本研究チームは、2つの波長での親銀河の明るさの情報から、HSC J2255+0251、HSC J2236+0032それぞれの銀河の重さが太陽の340億倍、1300億倍と推定しています。これは同時代の銀河の中でも最も重たい部類です。さらに、JWST の近赤外分光装置 NIRSpec でブラックホール周囲を高速で回転する物質の運動を調べたところ、今回の2天体のブラックホールは、重さが太陽の2億倍、14億倍と求められました。これらの観測結果は、銀河と巨大ブラックホールの関係が近傍宇宙と初期宇宙で大きく変わらないことを示しています。

〈今後の展望〉
本研究結果は、ビッグバンからわずか10億年未満の宇宙でクェーサー親銀河の星の光を捉えた世界初の成果です。また、すばる望遠鏡の優れた集光能力と撮像探査能力が大いに生かされた成果でもあります。本研究チームは、今後予定されている JWST のサイクル1の観測データを利用して、より多くのクェーサーで今回と同様の研究を継続する予定です。そして、銀河とブラックホールのどちらが先に成長したのか、という宇宙スケールの「ニワトリが先か、タマゴが先か」問題の解決に挑もうとしています。さらに、本研究チームに対しては、クェーサー HSC J2236+0032 の親銀河が、どのような星で構成されているのか、さらにこのクェーサーの周りに銀河がどれくらい群れているのか、といったより詳細な性質を調査するための観測時間が JWST の今年秋開始予定のサイクル2で割り当てられることが決まっています。加えて、アルマ望遠鏡を使った親銀河中のガスと塵の観測も現在進行中です。今後の研究の進展により、巨大ブラックホールの形成過程の謎や親銀河との関係性や進化の過程に迫ることが大いに期待されます。

図2：ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) の画像 (Credit: NASA/Chris Gunn)

3. 用語解説
注1）ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) (図2を参照)
2021年12月25日にハッブル宇宙望遠鏡 (HST) の後継として打ち上げられた宇宙望遠鏡。口径6.5 m の主鏡を持ち、赤外線で観測を行う。観測装置は4種類搭載されており、近赤外線で撮像を行うNIRCam、近赤外線で分光観測を行うNIRSpecとNIRISS、中間赤外線で撮像と分光を行うMIRI がある。アメリカ航空宇宙局 (NASA) 、欧州宇宙機関 (ESA) 、カナダ宇宙庁 (CSA) の協力のもと開発された。

注2）129億年前
天体の年齢はプランク衛星が2013年に報告した宇宙論パラメータを仮定。(参考：国立天文台「遠い天体の距離について」のページ)

注3）ハッブル宇宙望遠鏡 (HST)
アメリカ航空宇宙局 (NASA) と欧州宇宙機関 (ESA) が共同で運用を行う宇宙望遠鏡。口径2.4m の主鏡を持つ。1990年に打ち上げられ、紫外線から可視光、JWSTよりさらに波長の短い近赤外線での観測を行なってきた。現在は近赤外線の観測装置が休止しているため、主に紫外線から可視光での観測を行なっている。

注4）すばる HSC 戦略枠観測プログラム (HSC-SSP)
ハワイ島のマウナケア山頂 (標高4,200 m) のすばる望遠鏡に搭載された超広視野主焦点カメラ Hyper Suprime-Cam (HSC) を用いて進められた大規模観測プログラムのこと。東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構 (Kavli IPMU)、国立天文台、台湾中央研究院天文及天文物理研究所 (ASIAA)、プリンストン大学をはじめとする機関の研究者らが共同で行っている。英語での正式名称が Hyper Suprime-Cam Subaru Strategic Program であることから英語略称が HSC-SSP と呼ばれる。すばる望遠鏡の8.2 m という大口径主鏡による集光力とHSCの持つ広視野撮像性能を生かし、330 夜を投入して約1100 平方度 (満月5500個分) の広い天域にわたって深宇宙の画像を取得した。観測自体は2014年3月に始まり、2021年1月に終了したが、観測初期から続々と重要な成果発見が相次いでおり、未解析の膨大なデータから今後も様々な成果が出てくると予想される。

注5）マイクロメートル
1cmの1万分の1の波長。可視光はおよそ0.4-0.8マイクロメートルで、そこから3マイクロメートルまでの波長を近赤外線と呼ぶ。

4. 発表雑誌
雑誌名：Nature
論文タイトル：Detection of stellar light from quasar host galaxies at redshifts above 6
著者：Xuheng Ding (1,2)*, Masafusa Onoue (3,1,4)*, John D. Silverman (1,2,5), Yoshiki Matsuoka (6), Takuma Izumi (7,8), Michael A. Strauss (9), Knud Jahnke (4), Camryn L. Phillips (9), Junyao Li (10), Marta Volonteri (11), Zoltan Haiman (12,13), Irham Taufik Andika (14,15), Kentaro Aoki (16), Shunsuke Baba (17), Rebekka Bieri (18), Sarah E. I. Bosman (4), Connor Bottrell (1,2), Anna-Christina Eilers (19), Seiji Fujimoto (20), Melanie Habouzit (21,4), Masatoshi Imanishi (7,22), Kohei Inayoshi (3), Kazushi Iwasawa (23,24), Nobunari Kashikawa (5,25), Toshihiro Kawaguchi (26), Kotaro Kohno (27,25), Chien-Hsiu Lee (28), Alessandro Lupi (29), Jianwei Lyu (30), Tohru Nagao (6), Roderik Overzier (31), Jan-Torge Schindler (32), Malte Schramm (33), Kazuhiro Shimasaku (5,25), Yoshiki Toba (7,34), Benny Trakhtenbrot (35), Maxime Trebitsch (36), Tommaso Treu (37), Hideki Umehata (38,39), Bram P. Venemans (32), Marianne Vestergaard (30,40), Fabian Walter (4), Feige Wang (30), and Jinyi Yang (30)
* 共筆頭著者兼責任著者
著者所属：
1 Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU, WPI), The University of Tokyo, Chiba 277-8583, Japan
2 Center for Data-Driven Discovery, Kavli IPMU (WPI), UTIAS, The University of Tokyo, Kashiwa, Chiba 277-8583, Japan
3 Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics, Peking University, Beijing 100871, China
4 Max-Planck-Institut für Astronomie, Königstuhl 17, D-69117 Heidelberg, Germany
5 Department of Astronomy, School of Science, The University of Tokyo, 7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tokyo, 113-0033, Japan
6 Research Center for Space and Cosmic Evolution, Ehime University, 2-5 Bunkyo-cho, Matsuyama, Ehime 790-8577, Japan
7 National Astronomical Observatory of Japan, Osawa, Mitaka, Tokyo 181-8588, Japan
8 Department of Physics, Graduate School of Science, Tokyo Metropolitan University, 1-1 Minami-Osawa, Hachioji, Tokyo 192-0397, Japan
9 Department of Astrophysical Sciences, Princeton University, 4 Ivy Lane, Princeton, NJ 08544, USA
10 Department of Astronomy, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, IL, 61801, USA
11 Institut d’Astrophysique de Paris, CNRS, Sorbonne Université, UMR7095, 98bis bd Arago, 75014 Paris, France
12 Department of Astronomy, Columbia University, New York, NY 10027, USA
13 Department of Physics, Columbia University, New York, NY 10027, USA
14 Physik-Department, Technische Universität München, James-Franck-Str. 1, D-85748 Garching bei München, Germany
15 Max-Planck-Institut für Astrophysik, Karl-Schwarzschild-Str. 1, D-85748 Garching bei München, Germany
16 Subaru Telescope, National Astronomical Observatory of Japan, 650 North A’ohoku Place, Hilo, Hawaii 96720 U.S.A.
17 Graduate School of Science and Engineering, Kagoshima University, 1-21-35 Korimoto, Kagoshima, Kagoshima 890-0065, Japan
18 Institute for Computational Science, University of Zurich, Wintherthurerstrasse 190, 8057 Zürich, Switzerland
19 MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, 77 Massachusetts Avenue, Cambridge, 02139, Massachusetts, USA
20 Department of Astronomy, The University of Texas at Austin, Austin, TX 78712, USA
21 Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ITA), Albert-Ueberle-Str. 2, D-69120 Heidelberg, Germany
22 Department of Astronomy, School of Science, Graduate University for Advanced Studies (SOKENDAI), Mitaka, Tokyo 181-8588, Japan
23 Institut de Ciències del Cosmos (ICCUB), Universitat de Barcelona (IEEC-UB), Martí i Franquès, 1, 08028 Barcelona, Spain
24 ICREA, Pg. Lluís Companys 23, 08010 Barcelona, Spain
25 Research Center for the Early Universe, Graduate School of Science, The University of Tokyo, 7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tokyo 113-0033, Japan
26 Department of Economics, Management and Information Science, Onomichi City University, Hisayamada 1600-2, Onomichi, Hiroshima 722-8506, Japan
27 Institute of Astronomy, Graduate School of Science, The University of Tokyo, 2-21-1 Osawa, Mitaka, Tokyo 181-0015, Japan
28 W. M. Keck Observatory, 65-1120 Mamalahoa Hwy, Kamuela, HI 96743, USA
29 Dipartimento di Fisica “G. Occhialini”, Università degli Studi di Milano-Bicocca, Piazza della Scienza 3, I-20126 Milano, Italy
30 Steward Observatory, University of Arizona, 933 N. Cherry Avenue, Tucson AZ 85721, USA
31 Observatório Nacional/MCTI, Rua General José Cristino, 77, Sа̃o Cristóvа̃o, Rio de Janeiro, RJ 20921-400, Brazil
32 Leiden Observatory, Leiden University, PO Box 9513, 2300 RA Leiden, The Netherlands
33 Universität Potsdam, Karl-Liebknecht-Str. 24/25, D-14476 Potsdam, Germany
34 Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, 11F Astronomy-Mathematics Building, AS/NTU, No.1, Section 4, Roosevelt Road, Taipei 10617, Taiwan
35 School of Physics and Astronomy, Tel Aviv University, Tel Aviv 69978, Israel
36 Kapteyn Astronomical Institute, University of Groningen, P.O. Box 800, 9700 AV Groningen, The Netherlands
37 Department of Physics and Astronomy, University of California Los Angeles, CA, 90095, USA
38 Institute for Advanced Research, Nagoya University, Furocho, Chikusa, Nagoya 464-8602, Japan
39 Department of Physics, Graduate School of Science, Nagoya University, Furocho, Chikusa, Nagoya 464-8602, Japan
40 DARK, Niels Bohr Institute, Jagtvej 155, 2200 Copenhagen N, Denmark