① ""すばる望遠鏡 ; 超遠方宇宙に大量の巨大ブラックホールを発見/その1""
2019年3月13日 (ハワイ現地時間)
愛媛大学の研究者を中心とする国際研究チームが、地球から約 130 億光年離れた超遠方宇宙において、83 個もの大量の巨大ブラックホールを発見しました (図１、図４)。巨大ブラックホールが超遠方宇宙にも普遍的に存在することを初めて明らかにした重要な成果で、宇宙初期に起こった ☀「宇宙再電離」の原因に対しても新たな知見を与えるものです。
(図１: 研究チームが新発見した、地球から距離 130.5 億光年にある巨大ブラックホール (矢印の先にある赤い天体)。この画像は、すばる望遠鏡の超広視野主焦点カメラ HSC による探査観測で得られたものです。(クレジット：国立天文台))
巨大ブラックホールは太陽の 100 万倍から 100 億倍にも達する重さを持ち、その誕生過程は謎のままですが、宇宙に普遍的に存在することが知られています。しかしビッグバンに近い宇宙初期の時代にもやはり普遍的に存在するのか、そしてその個数密度はどれくらいか、といった基本的な事は分かっていませんでした。その答えを得るために、世界中の研究グループが競い合いながら、超遠方宇宙を舞台とした巨大ブラックホール探査を進めてきました。
巨大ブラックホールを見つけるには、それが周囲の物質を飲み込む過程で明るく輝く「クェーサー (図２)」を探す方法が効率的です。しかしこれまでの探査では、超遠方宇宙には非常に稀にしかクェーサーが発見されず、しかも見つかるのは現在の宇宙では珍しいような、最重量級の巨大ブラックホールによる最も明るいクェーサーに限られていました。
(図２: クェーサーの想像図。中心には太陽の 100 万倍から 100 億倍もの重さ (質量) を持つ巨大ブラックホールが存在します。このようなブラックホールは、多くの銀河の中心部を住処として、宇宙に普遍的に存在します。巨大ブラックホールが周囲の物質を活発に飲み込み始めると、宿主である銀河全体をも凌駕する非常に明るい光を放ちますが、そのような活動的な巨大ブラックホールのことを特に「クェーサー」と呼びます。(クレジット：松岡良樹))
すばる望遠鏡では現在、最新鋭の超広視野主焦点カメラ Hyper Suprime-Cam (HSC) を用いて、300 夜に渡る大規模な探査観測を実施しています。研究チームは、そこに写っている膨大な数の天体の中から、まずは超遠方クェーサーの特徴を示す候補天体を選び出しました。次にすばる望遠鏡、大カナリア望遠鏡、ジェミニ望遠鏡という３つの大口径望遠鏡を用いて、候補天体に対する集中的な追観測を行いました。
こうして得られたスペクトル (図３) の特徴から、研究チームは 83 個の超遠方クェーサーを新発見することに成功しました。これらは従来知られていたクェーサーのわずか数パーセント程度の明るさで、今回初めてその微弱な光をとらえ、普通の重さの巨大ブラックホールが超遠方宇宙にも多数存在することを初めて明らかにしました。
一方で文献調査の結果、別の候補天体のうち 17 個については過去にスペクトルの報告があり、超遠方クエーサーであることが確認されました。これらは HSC の独立な観測データによる再発見ということになります。すなわち、今回の探査によって計 100 個 (新発見 83 個、再発見 17 個) のクェーサーが発見されました (図４)。測定されたクェーサーの個数密度は一辺 10 億光年の立方体ごとにおよそ１個でしたが、過去の探査では観測感度の限界によって、そのわずか２割ほどに当たる最も明るいクェーサーしか検出されてきませんでした。
(図３: 研究チームが発見した超遠方クェーサーのスペクトルの一例。天体から届く光を分光器によって波長ごとに分解し、光の波長を横軸に、光の強さを縦軸に取って表示したものをスペクトルと呼びます。スペクトルの形状を分析することで、観測した天体がクェーサーであることや、その天体までの距離を決定することができます。この天体の場合、波長 0.122 マイクロメートルで放射された水素の輝線が、宇宙膨張の効果によって波長が伸びた (赤方偏移した) 結果、波長 0.896 マイクロメートルで強い光のピークとして観測されています。この事実から赤方偏移の値は 6.37 となり、地球からの距離に換算すると約 130 億光年となります。(クレジット：国立天文台))
② ☀ 宇宙の夜明け：再電離
東京大学 大学院 、理学系研究科・理学部
嶋作 一大（天文学専攻 准教授）
いち日に夜明けがあるように，宇宙140億年の歴史にも夜明けがあった。それが再電離である。宇宙に初代の天体が生まれ，その光が宇宙空間を満たしたとき，再電離が起きた。宇宙が数億歳の頃のできごととされるが，まだ見た者はいない。
生まれて間もない熱い宇宙では，おもな元素である水素は陽子と電子に分かれた電離状態にあった。ところが宇宙は膨張とともに冷え，40万歳の頃，電子が陽子に捕えられて水素原子ができ，宇宙は電気的に中性になった。光の進路をじゃまする電子が消えたおかげで，宇宙は霧が晴れるように透明になった。
しかし観測によれば，宇宙は遅くとも10億歳になるまでに再び電離し，現在もその状態を保っている。遅くとも，というのは，観測は再電離の起きた時代までさかのぼれていないのである。これほど過去（すなわち遠方）の観測はきわめて難しい。
宇宙の電離度の情報は当時の天体のスペクトルに刻み込まれている。明るい天体であるクェーサーは電離度の測定に適するが，9億歳という，クェーサーの見つかっているもっとも昔の宇宙でさえ，ほぼ電離してしまっている。銀河は8億歳まで見つかっており，電離度の低下の示唆もあるが，確実ではない。宇宙マイクロ波背景放射に対して宇宙はわずかに不透明だが，これは4億歳頃に宇宙が一瞬で再電離したとすればつじつまが合う。しかし実際は数億年かけて進んだ可能性が高い。
再電離は宇宙の天体の始まりに関係がある。冷えていくだけの宇宙では再電離は起きない。再電離を起こすには，何らかの天体が，水素原子をばらばらにできる高エネルギーの紫外線を宇宙空間に大量に放射しなければいけない。この謎の天体の正体は，宇宙の初代の銀河で生まれたひじょうに重い星かもしれない。いっぽう，電離した宇宙での星や銀河のできかたは，電離前とは違うらしい。このように宇宙の再電離には，星から銀河・宇宙論まで，多くの分野の関心が交差している。
理学系研究科では，天文学専攻の岡村定矩教授と筆者の研究室が，再電離の謎に迫るべく過去の宇宙を観測している。共同研究している国立天文台の家正則教授は，一連の研究で2008年度の仁科記念賞を受賞した。
③ 水素原子 、wikipedia
(水素原子)
水素原子(Hydrogen atom)は、水素の原子である。電気的に中性な原子で、1つの陽子と1つの電子がクーロン力で結合している。水素原子は、宇宙の全質量の約75%を占める[1] 。
還元作用のため活性水素（Active hydrogen）とも呼ばれる[2]。地球上では、単離した水素原子は非常に珍しい。その代わり、水素は他の原子と化合物を作るか、自身と結合して二原子分子である水素分子(H2)を形成する。水素分子が一般的に水素と呼ばれる物質である。「水素原子」と「原子状水素」という用語は、重なっている意味もあるが、全く同義ではない。例えば、水分子は、2つの水素原子を含むが、原子状水素は含まない。
