ビッグバンから4億7000万年後のブラックホールの重さを量る

太陽の数十億倍の質量をもつブラックホールを動力源とするクエーサーは、宇宙が誕生して10億年もたたないうちにすでに存在していた。それらがどのようにしてこれほど速く、これほど大きく成長したのかは、天文学の未解決の謎の一つである。広い天域を調べるサーベイはこうした怪物を何百個も見つけてきたが、見つかったのは最も明るいものだけだった。

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が状況を変えた。この望遠鏡は、はるかに暗い活動銀河核（中心のブラックホールが物質をのみ込んでいる銀河）を見ることができる。手がかりは幅の広い輝線だ。ブラックホールのすぐ近くを非常に速く回るガスからの光で、そのスペクトル線（それぞれの元素が出す正確な色）が引き伸ばされてぼやけている。こうした天体の多くは、コンパクトでとても赤く見える天体で、「リトル・レッド・ドット」（Little Red Dots）というあだ名で呼ばれ、その正体はまだ議論されている。

近道をしない探索

東京の早稲田大学を中心とするシンヤオ・ツァイ（Xingyao Cai）、井上昭雄、尾上匡房らは、DAWN JWSTアーカイブの公開スペクトルを調べ上げた。赤方偏移6から10.3のあいだに確かな距離をもつ 1,247個の天体である。赤方偏移（zと書く）は、宇宙の膨張によって天体の光がどれだけ引き伸ばされたかを表す。値が大きいほど天体は遠く、より昔の姿を見ていることになる。色や大きさによる事前の選別はしなかった。それぞれのスペクトルについて、幅の広い水素線を含むモデルが、含まないモデルよりよく合うかどうかを調べた。66個の候補が残った。

最も遠いのは、「Mirage or Miracle」計画で観測された MoM-BL-z10 で、赤方偏移は z = 9.9837。宇宙がまだ4億7000万年しかたっていなかったころである。

その幅の広い水素ベータ線は、青緑色の可視光として放たれるが、約11倍（1 + z）に引き伸ばされて赤外線となり、5.35マイクロメートルで私たちに届く。ウェッブの標準処理の上限である5.3マイクロメートルをわずかに超えた位置だ。このアーカイブのデータ処理がスペクトルのその余分な部分を取り戻していたからこそ、見えたのである。

7つのフィルターで撮ったMoM-BL-z10のウェッブ画像（上）とそのスペクトル。右は当てはめた幅の広い水素ベータ線。— 図1、Cai et al. (2026), arXiv:2610.28735, CC BY 4.0.

ブラックホールの重さを量る

幅の広い線は信号対雑音比 3.87 で検出された。著者らが定めたしきい値3をわずかに上回るだけである。こちらに向かってくるガスからの光は一方に、遠ざかるガスからの光は反対側にずれる（ドップラー効果）。そのため線の幅は速度の広がりとして測られ、秒速3,480キロメートルとなる（不確かさは大きく、−950、+2,040）。ネオンや酸素などほかの輝線の比から、この天体はふつうの星形成銀河ではなく、活動銀河核の仲間に分類される。

ガスの速さと、光がやってくる領域の大きさを決める天体の明るさを組み合わせると、「ビリアル」質量が得られる。赤方偏移10でのこうした見積もりは初めてだ。

• クエーサーに使われる標準的な方法では、太陽質量のおよそ3600万倍（3.6 × 10⁷、おおよそ1900万〜9400万倍のあいだ）。理論上の最大の成長率であるエディントン限界——落ち込む物質の光がガスを押しのけ、ブラックホールを飢えさせてしまう天井——の 11% で物質をのみ込んでいる。
• リトル・レッド・ドット向けに提案された方法で、その最大の率でのみ込んでいると仮定すると、太陽質量のおよそ210万倍。17分の1である。

この天体はコンパクトに見え、リトル・レッド・ドットに期待される色をしているが、著者らは現在のデータでそう分類することは控えている。

重すぎる、早すぎる

チームは、この天体が見えている4億7000万年よりはるか前の赤方偏移25から出発して、このようなブラックホールがどう成長しえたかをさかのぼった。軽い種、つまり太陽の10〜100倍の質量をもつ恒星の残骸から始めて3600万太陽質量に達するには、平均してエディントン限界のおよそ2倍の率が必要になる。重い種、つまりガス雲の直接崩壊で生まれたかもしれない太陽の1万〜10万倍の質量のものなら、限界の率でのみ込みつづけることでそこに到達できる。観測された11%の率では、これほど大きく育つことは決してできなかった。過去にはもっと速くのみ込んでいたはずである。

考えられる成長の歴史。黄色の星（標準的な質量）は、軽い種ならエディントン限界を超える成長が必要で、重い種なら十分という位置にある。— 図5、Cai et al. (2026), arXiv:2610.28735, CC BY 4.0.

低いほうの質量でさえ、恒星の種が限界の率で成長して到達するのは難しい。

ウェッブにできることの限界で

MoM-BL-z10 は今や、z = 9.29 の CAPERS-LRD-z9 を超えて、知られているなかで最も遠い幅の広い輝線をもつ活動銀河核となった。赤方偏移10付近にあった以前の2つの候補、UHZ1 と GN-z11 では、幅の広い線が確実に検出されたことはない。ここでは水素線がウェッブの分光器のまさに端にあるので、著者らは、この方法で暗いブラックホールを見つけるには赤方偏移10あたりが実際上の限界に近いのではないかと考えている。完全なカタログを伴うより大規模な探索が準備中である。