JWSTが「リトル・レッド・ドット」を解析、巨大星のブラックホール崩壊を示唆

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）の最新データにより、初期宇宙の謎が解明されつつある。ハーバード・スミソニアン天体物理学センター（CfA）の研究チームは、宇宙誕生から数億年後に存在した「リトル・レッド・ドット（LRD）」と呼ばれる天体を分析した。その結果、太陽の10万倍以上の質量を持つ超巨大星が、超新星爆発（星が一生の最後に大爆発を起こす現象）を経ずに直接ブラックホール（BH）へ崩壊するプロセスが浮き彫りとなった。本研究成果は、巨大ブラックホールの起源を巡る「ヘビー・シード（重い種）」仮説を強力に裏付けるものである。

超巨大星が直接崩壊する「ヘビー・シード」モデル

今回の研究が焦点を当てたのは、JWSTの観測で見つかった小型で赤く輝く天体群「LRD」である。CfAが2024年11月に発表した内容によると、これらの天体は従来の銀河（数千億個の星やガス、塵が集まった巨大な天体）とは異なるスペクトル特性（光を波長ごとに分解した際に見られる、特定のパターンや性質）を示す。特に、近赤外線分光器（NIRSpec：物体から放射される近赤外線を波長ごとに細かく分析する装置）を用いた観測では、高速で運動するガスの存在が確認された。これは中心部に巨大な重力源（周囲の物体を引き寄せる大きな力を持つもの）が存在することを示唆している。

宇宙初期におけるBHの形成には、主に2つの説が存在する。一つは太陽の10倍から100倍程度の質量を持つ恒星（自ら光り輝く星。太陽もその一つ）が死後にBHとなる「ライト・シード（軽い種）モデル」（比較的軽いブラックホールの形成に関する理論モデル）である。もう一つは、巨大なガス雲が直接収縮し、太陽の1万倍から10万倍の質量を持つ「ヘビー・シード」を形成するモデルだ。CfAのシビ・チャルサルド博士らは、LRDの正体がこのヘビー・シードそのものである可能性が高いと指摘する。

数値モデル（複雑な現象を数式やアルゴリズムでコンピューター上に再現する手法）を用いた比較では、LRDの輝度（光の明るさの度合い）は通常の恒星進化では説明がつかない。太陽の10万倍の質量を持つ超巨大星が自重で崩壊する際、膨大なエネルギーを放出する。このエネルギー放射が、JWSTが捉えた特有の「赤い光」の原因と推測される。CfAのシミュレーションによれば、このプロセスは数百万年という宇宙規模（宇宙全体や非常に広大な時間・空間を指す規模）では極めて短期間に進行する現象である。

初期宇宙の密度が示唆するブラックホールの起源

LRDの観測データは、初期宇宙の環境が現代の宇宙とは劇的に異なっていたことを示している。研究チームの分析では、LRDが位置する領域のガス密度（一定の体積中に存在するガスの量）は、現在の銀河系（天の川銀河）の周辺環境と比較して1000倍以上も高い。この高密度環境が、通常の恒星形成を阻害し、巨大なガス塊の直接崩壊を促進したと考えられる。

従来のハッブル宇宙望遠鏡（HST）では、これらLRDは単なる点光源としてしか認識できなかった。JWSTの観測精度は、HSTの約100倍という極めて高い感度を赤外線領域（人間の目には見えないが、熱として感じられる光の波長帯）で実現している。この技術的進歩が、130億年以上前の宇宙に潜む「BHの種」の特定を可能にした。CfAが主導するこのプロジェクトは、初期宇宙における銀河とBHの「共進化」（二つの異なるものが相互に影響し合いながら共に進化する過程）の定説を覆す可能性を秘めている。

特に注目すべきは、LRDのスペクトルに含まれる水素の輝線（Hα線：水素原子が特定のエネルギー状態から別の状態に遷移する際に放出する、固有の赤い光）の幅である。この幅の広さは、時速数百万キロメートルに達するガスの高速回転を裏付けている。これは中心にあるBH、あるいは崩壊直前の超巨大星が、周囲の物質を猛烈な勢いで吸い込んでいる証左となる。この現象を詳細に解析することで、宇宙最大の天体である超巨大ブラックホール（SMBH：銀河の中心に存在する、太陽の数百万倍から数十億倍もの質量を持つ巨大なブラックホール）が、なぜこれほど短期間で成長できたのかという最大の謎に迫ることができる。

日本の精密光学・データ解析産業への波及効果

今回の発見は、日本の宇宙産業および精密機器メーカーにとっても重要な意味を持つ。JWSTのような超高性能な宇宙望遠鏡の運用には、極低温環境で作動する高精度な光学素子（光を反射・屈折・透過・分散させるための部品。レンズや鏡など）や赤外線センサ（赤外線を検出して電気信号に変換する装置）が不可欠である。日本企業では、浜松ホトニクスが赤外線検出器の技術で世界的なシェアを持つ。また、三菱電機やキヤノンなどは、次世代の地上超大型望遠鏡（ELT：地上に建設される、非常に巨大な鏡を持つ次世代の天文望遠鏡）や宇宙望遠鏡向けの鏡面制御技術（望遠鏡の鏡の形を非常に精密に調整・維持する技術）で高い競争力を有する。

LRDのような暗い天体の解析には、膨大な観測データから有意な信号を抽出する「信号処理技術」（センサーなどで得られた電気信号から、ノイズを除去したり情報を抽出したりする技術）が求められる。富士通やNECが強みを持つスーパーコンピュータ（通常のコンピュータよりはるかに高速な計算能力を持つ大型コンピュータ）やAI（人工知能）による解析支援は、宇宙物理学の知見をビジネスに応用する好例となる。実際に、衛星データ解析サービス（人工衛星が取得した地球や宇宙のデータを分析し、情報として提供するサービス）を展開する日本のスタートアップ企業は、こうした天文学的解析手法を地球観測データの高精度化に転用し始めている。

さらに、日本が主導する赤外線天文衛星計画「GREX-PLUS」など、将来のプロジェクトにとっても今回の知見は追い風となる。宇宙初期のBH形成過程を解明することは、暗黒物質（ダークマター：宇宙に存在する、光を放たず直接観測できない謎の物質）の正体解明にも繋がる。これは基礎科学の枠を超え、新しい物理法則に基づいた次世代の通信やエネルギー技術の種となる可能性を秘めている。産官学の連携（産業界、政府、学術機関が協力して研究開発や事業を進めること）による宇宙データの商用利用は、今後10年で市場規模が倍増すると予測される。

今後の展望と残された課題

今後の焦点は、LRDが実際にどの程度の頻度でBHへと変化するのかを統計的に把握することにある。CfAの研究チームは、今後数年をかけてJWSTによる広域サーベイ（特定の領域を広範囲にわたって詳細に調査・観測すること）を実施し、数百個規模のLRDのサンプルを収集する計画だ。これにより、ヘビー・シード仮説の一般性を証明することを目指している。

一方で、課題も残されている。現在のJWSTの観測データだけでは、LRDが「超巨大星」なのか、すでに形成された「成長中のBH」なのかを完全に区別することは困難である。これには、X線観測衛星（X線を捉えることで、高温のガスやブラックホール周辺の現象を観測する人工衛星）との連携が不可欠となる。日本のX線分光撮像衛星（XRISM）との同時観測が実現すれば、LRDから放射される高エネルギーX線を捉え、その正体を決定付けることができるだろう。

重力波天文学（アインシュタインの一般相対性理論によって予言された、時空の歪みが波となって伝わる「重力波」を観測する学問分野）との連携も期待される。巨大星の崩壊やBHの合体は、時空の歪みである重力波を放出する。将来的に宇宙重力波望遠鏡（LISA：宇宙空間に配置され、重力波を検出することを目指す将来の観測装置）などが運用を開始すれば、JWSTが光で捉えた「BHの誕生」を、重力波によって「音」として捉えることが可能になる。多波長・多メッセンジャー天文学（光や電波、X線、重力波など、複数の異なる手段（メッセンジャー）で天体を観測し、総合的に分析する研究手法）の深化により、我々の宇宙がどのように始まり、現在の姿になったのかという根源的な問いへの回答が近づいている。

出典

- Harvard CfA News: Scientists Use JWST to Examine Ancient Monster Stars That May Reveal the Birth of Black Holes