ナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡は、2026年8月30日の打ち上げに向けて準備が進んでおり、ブラックホールが恒星全体を引き裂く際に発生する閃光を捉えることで、110億年前まで存在した超巨大ブラックホールを検出する。
7月14日にThe Astrophysical Journalに掲載された新たな研究によると、ローマンの高緯度時間領域サーベイは、過去のどの観測装置よりもはるかに遠方で、年間約100個の潮汐破壊現象（TDE）を検出すると予測されている。この能力により、天文学者は初期宇宙の超巨大ブラックホールの個体数を調査し、これらの宇宙の巨大天体が最初にどのように形成されたかに関する競合する理論を検証することができる。
「ローマンの高い感度のおかげで、これまで以上に遠方かつ初期の宇宙時代において、複数の潮汐破壊現象を発見することができます」と、ジョンズ・ホプキンス大学の大学院生でNSF大学院研究フェローの筆頭著者ミッチェル・カーメンは述べた。
潮汐破壊現象の仕組み
潮汐破壊現象は、恒星が超巨大ブラックホールに接近しすぎたときに発生する。丸呑みされるのではなく、ブラックホールの巨大な重力潮汐力によって恒星は引き裂かれ、恒星の母銀河全体を凌駕するほどの明るい閃光を生み出す。
この現象は、より軽い超巨大ブラックホール, 太陽質量10万から1億の範囲のもの, に特有である。太陽質量10億を超える重いブラックホールは単純に恒星を丸呑みし、このようなビーコンを生成しない。引き裂かれた物質は明るく高温の降着円盤を形成し、数週間かけてピークに達した後、徐々に減衰する。これにより天文学者は、通常は不可視のブラックホール個体群への窓を得ることができる。
ローマンの赤外線の利点
ローマンの近赤外線観測能力は、初期宇宙からのTDE検出に理想的に適している。宇宙の膨張に伴い、遠方の物体からの光はより長い波長に引き伸ばされる, これは宇宙論的赤方偏移として知られる現象である。地球に到達するまでに80億から110億年かけて旅する光は、ローマンの機器が最適化された近赤外線帯域で到達する。
この望遠鏡の高緯度時間領域サーベイは、約18平方度の空, 満月約90個分に相当する面積, をカバーし、同じ領域を定期的な周期で再訪して突発現象を捉える。
ローマンの役割は、主として可視光でより近い距離において年間数千から数万のTDEを検出するベラ・C・ルービン天文台を補完する。両天文台は連携して、近傍から宇宙の最遠方までの完全な像を提供する。
「ウェッブが遠方の高赤方偏移銀河の理解を変革したように、ローマンは高赤方偏移トランジェントの理解を変革する態勢にあります」とメリーランド大学の共著者スヴィ・ゲザリは述べた。
ブラックホールの起源を探る
カーメンと彼の同僚は、銀河の合体率、銀河核の恒星密度、ブラックホールの質量などの進化する要因を考慮し、TDE発生率が宇宙時間を通じてどのように変化するかをモデル化した。
研究チームは、TDE発生率が「宇宙の正午」, 約110〜120億年前、宇宙全体での星形成がピークに達した時期, まで距離とともに増加し、その後さらに遠方では減少すると予測している。
異なる赤方偏移でのTDEを計数することで、天文学者は超巨大ブラックホールの起源に関する二つの主要な理論を区別できるようになる：
軽い種子理論は、ブラックホールは大質量星の死亡からの恒星質量残骸（最大数百太陽質量）として始まり、合体と急速なガス消費によって成長したと主張する。このモデルは、ほぼすべての若い銀河が中心ブラックホールを宿すと予測する。
重い種子理論は、一部のブラックホールはガス雲の直接崩壊によって大きく, 最大100万太陽質量, 生まれたと提唱する。このシナリオは、超巨大ブラックホールが初期銀河ではより稀であると予測する。
「潮汐破壊現象は、軽い超巨大ブラックホールの個体群を探る助けとなり、これらのモデルを識別するのに役立ちます」とカーメンは述べた。
トランジェント科学の新たなフロンティア
ローマンの高緯度時間領域サーベイは、望遠鏡の主要ミッションを定義する三つの中核コミュニティサーベイの一つである。ローマンとルービンが本格運用を開始すれば、チームは直ちに予測と実際の検出との比較を開始し、組み合わせたデータを用いて宇宙時間を通じたブラックホールの分布をマッピングする。
「赤方偏移の関数としてTDEの数を数えるだけで、太陽質量100万のブラックホールの個体群に有意義な制約を課すことができます」とゲザリは述べた。「ローマンは、潮汐破壊現象をより遠方まで探査できる点で変革的であり、TDE発生率が時間とともにどのように進化するかを観察できます。」
ナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡はNASAのゴダード宇宙飛行センターが管理し、JPL、Caltech/IPAC、宇宙望遠鏡科学研究所、BAE Systems、L3Harris、Teledyneが重要な貢献をしている。
雅子 訳