恒星崩壊によって形成されないブラックホール 

初期宇宙（ビッグバン後約700億年）にJWSTによって観測されたリトルレッドドット（LRD）アベル2744-QSO1のブラックホールは、はるかに大きな銀河から物質を供給されることなく現在のサイズまで成長した超大質量ブラックホールです。恒星進化の標準モデルによれば、ブラックホールは、恒星核崩壊の結果として燃料が尽きた、より大きな恒星の寿命末期に形成されます。これらのブラックホールは、はるかに大きな銀河から物質を摂取することでサイズが大きくなります。リトルレッドドットQSO​​1のブラックホールはこの枠組みに当てはまらず、斬新です。それは標準的な恒星進化を経ずに直接形成された、つまり残骸ではないのです。 巨大な死にゆく星の核崩壊によるブラックホールではなく、直接崩壊ブラックホール（DCBH）または原始ブラックホール（PBH）である。恒星崩壊から形成されないブラックホールは以前から理論化されていた。これは、標準的な過程を超えた過程を経て形成されたブラックホールの証拠である。 恒星の進化.  

ブラックホールはどのように形成されるのでしょうか？恒星進化の標準モデルによれば、ブラックホールは質量が大きい恒星の進化の最終段階の産物です。恒星は時間の経過とともに変化します。 

星の誕生は、銀河系内の巨大な星間ガスと塵の雲の中で、低温から高密度の領域へとガスが凝集することから始まります。これらの凝集体は徐々に物質を集め、成長していきます。やがて、重力による内向きの力が増大し、凝集体は崩壊します。崩壊時の摩擦によって物質が加熱され、小さな星が誕生します。これが星のライフサイクルにおける原始星段階です。重力による崩壊がさらに進行し、原始星の中心部の温度と圧力が徐々に上昇します。やがて、温度と圧力が水素原子核の核融合を可能にするほど高くなります。核融合によって膨大なエネルギーが放出され、物質が十分に加熱されて、重力によるさらなる崩壊を防ぎます。これが星の「主系列星段階」です。水素が主な燃料となります。 

燃料がなくなると核融合が停止し、重力による内向きの力と釣り合うように物質を加熱するエネルギーがなくなり、中心核が崩壊してコンパクトな残骸が残ります。これが星の最期です。死んだ星またはコンパクトな残骸は、白色矮星、中性子星、または ブラックホール 元の恒星の質量によって異なります。20太陽質量（>20 M⦿）を超える恒星は、恒星進化の終盤で燃料が尽きるとブラックホールになります。これが標準的な過程です。まず恒星と銀河が形成され、その後、恒星進化の最終段階としてブラックホールが形成されます。このようなブラックホールの質量は、銀河全体の質量よりもはるかに小さいです。 

恒星以外の環境におけるブラックホールの形成

ブラックホールは、恒星の核崩壊以外の方法で形成される可能性はあるのだろうか？これまでに、2つの「非恒星的」形成経路が理論的に提唱されている。 

初期宇宙では、巨大な原始ガス雲が通常の星形成や進化を経ずに直接ブラックホールに崩壊し、いわゆる直接崩壊ブラックホール（DCBH）が生じる可能性がある。標準的な恒星進化を経ずに直接形成された他の仮説上のブラックホールは、原始ブラックホール（PBH）である。PBHはビッグバン直後の極めて初期の宇宙における極端な密度変動の中で形成されたビッグバンの名残である。 

「非恒星」経路で形成されるブラックホールは、理論上の存在に過ぎず、仮説上のものにとどまっています。しかし、初期宇宙の研究を目的とした赤外線宇宙望遠鏡であるジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）が2021年12月に打ち上げられたことで、状況は急速に変化し始めました。

ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）が初期宇宙の研究に革命をもたらす 

JWSTは、初期宇宙に関する我々の理解に挑戦するいくつかの観測結果を発表した。赤方偏移14.32のJADES-GS-z14-0銀河の観測は、既知の銀河の中で最も遠い銀河である。この銀河はビッグバンから約2億9000万年後の初期宇宙で形成されたが、巨大で質量が大きく、非常に明るい銀河である。また、金属量が多いことも判明しており、これは初期宇宙の約2億9000万年までに、大質量星の世代が誕生から超新星爆発までのライフサイクルを既に終えていたことを意味する。同様に、ビッグバンから約10億年後の初期宇宙の銀河GS-NDG-9422は、化学組成が複雑で、種族III星が存在しないことが判明した。現在の理解では、初期宇宙の第一世代の星は金属量がゼロの種族III星であるはずである。 （天文学では、ヘリウムより重い元素はすべて金属とみなされます。酸素や窒素などの化学的非金属元素も、宇宙論的な観点からは金属に分類されます。恒星は超新星爆発の後、世代を重ねるごとに金属元素が豊富になります。） 

JWSTは初期宇宙の超大質量ブラックホールも観測している。そのようなブラックホールの1つはビッグバンから約7億年後に存在し、太陽の数百万倍の質量を計測した。すべてはJWSTが2022年の最初のデータ公開で発見されたリトル・レッド・ドット（LRD）の観測から始まった。これらの赤いコンパクト天体はV字型のスペクトルを持ち、高速の水素ガスからの放射を示していた。 

リトル・レッド・ドットQSO​​1（またはAbell2744-QSO1） 

QSO1（またはAbell2744-QSO1）は、直径約1,300光年、地球から130億光年以上離れた場所に位置する、典型的な「小さな赤い点」です。ビッグバンからわずか7億年後の初期宇宙に存在していました。銀河団Abell 2744（パンドラの銀河団）の重力レンズ効果により、拡大され、3つの異なる位置に三重像として現れます。そのため、QSO1は他の多くの「小さな赤い点」よりも研究しやすい天体となっています。 

この小さな赤い点（LRD）の詳細な研究により、研究者たちは、一部の超大質量ブラックホールは最初から巨大であったという結論に至った。それらは恒星崩壊段階を経ることなく、また、それらに物質を供給するはるかに質量の大きい宿主銀河を持たずに形成されたのである。 

QSOは準恒星状天体（一般的にはクエーサーと呼ばれる）の略です。 

初期の研究では、QSO1は太陽の約40万倍の質量を持つ超大質量ブラックホールの周りを回る、輝く水素とヘリウムのガス雲以上の存在であることが明らかになった。しかし、それが本当にそれほど巨大なのかどうかについては不確実性があった。なぜなら、これまで初期宇宙におけるブラックホールの質量測定はすべて、局所宇宙におけるブラックホールに関する既知の情報に基づく間接的なものであり、それらの仮定が初期宇宙にも当てはまるかどうかは分からなかったからである。 

研究者たちは、QSO1のブラックホールが本当にそれほど巨大であれば、JWSTに搭載された積分場測定装置（IFU）を用いて、ブラックホールの重力が周囲のガスに及ぼす影響を追跡し、同時にガス中の様々な元素の分布をマッピングできるはずだと考えた。そこで、彼らはIFUによる観測データを用いて、ブラックホールを取り巻く水素ガスの動きをマッピングした。 

中心からの距離に対する回転速度のグラフから、ガスがケプラー運動をしていることが明らかになった。これは、リトル・レッド・ドットQSO​​1の質量の大部分が中心のブラックホールに集中していることを意味する。もし質量が分散していたとしたら、太陽系で惑星が太陽の周りを公転するように、ガスは中心点の周りを完全なケプラー運動で公転することはなかっただろう。 

ケプラー運動は重力の法則によって支配されているため、ガスの速度測定によって研究者たちはブラックホールの質量を直接計算することができた。これは初期宇宙のブラックホールの質量を直接測定した初めての事例である。QSO1のブラックホールの質量は約5000万太陽質量であることが判明した。また、このブラックホールはQSO1の総質量の3分の2を占めている。近傍銀河の超大質量ブラックホールは通常、宿主銀河の総質量のほんの一部しか占めていないため、これは非常に珍しいことである。

さらに、IFU組成マップの分析によると、QSO1全体に存在するガスはほぼ完全に水素とヘリウムで構成されていることが分かった。星や恒星残骸が豊富な銀河であれば、酸素などの重元素も存在するはずだが、QSO1の金属量は太陽の0.5%未満と極めて低く、これはQSO1が非常に原始的な銀河環境にあることを示唆している。

QSO1の質量が宿主銀河に比べて非常に大きいことから、より小さな恒星質量ブラックホールの漸進的な合体と摂食によって形成されたものではないと考えられます。どうやら、リトルレッドドットQSO​​1のブラックホールは恒星進化の過程よりも前に存在していたようです。ビッグバンの最初の1秒以内に形成された重い種（原始ブラックホール）から進化したか、あるいはそれより少し後に巨大なガス雲の崩壊（直接崩壊ブラックホール）から進化し、その周囲に銀河を形成し始めた初期段階にある可能性があります。現時点では、リトルレッドドットQSO​​1の超大質量ブラックホールが原始ブラックホール（PBH）なのか直接崩壊ブラックホール（DCBH）なのかを断定することはできませんが、初期宇宙では恒星以外の原因でブラックホールが形成されたという証拠があります。

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参照： 

1. マイオリノR.、 ら 2026年。ビッグバンから7億年後のほぼ原始的な銀河におけるブラックホール。王立天文学会月報、第548巻、第1号、2026年5月、staf2109。2026年4月6日発行。DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/staf2109
2. Juodžbalis, I., Marconcini, C., D'Eugenio, F. et al. 高赤方偏移の小さな赤い点におけるブラックホールの質量の直接測定。Nature 653, 1017–1021 (2026). 2026年5月27日公開。DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10579-4
3. NASAのウェッブ宇宙望遠鏡が、銀河形成以前に存在したブラックホールを明らかに。2026年5月27日投稿。 https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-reveals-black-hole-that-formed-before-its-galaxy/

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