Global Research Center（GRC）早稲田大学 研究活動 Research Activities

初期宇宙で最速級に成長する超巨大ブラックホールを発見

約 120 億年前の初期宇宙で、想像を超える速さで成長する超巨大ブラックホール（クエーサー）が見つかりました。早稲田大学や東北大学の研究者を中心とする研究チームは、すばる望遠鏡による観測から、非常に多くのガスを飲み込みながら成長しているにもかかわらず、Ｘ線でも電波でも明るく輝く特異なクエーサーを発見しました。これまで同時には起こらないと考えられてきた現象が重なって確認されたことで、超巨大ブラックホールの成長のしくみに新たな視点をもたらす成果です。

多くの銀河の中心には、太陽の数百万倍から数百億倍もの質量を持つ超巨大ブラックホールが存在します。ブラックホールは周囲の物質を引き寄せて成長し、その過程で強い光を放ちます（図１）。ブラックホールの周りには、ガスが円盤状に回り込む構造（降着円盤）や、より内側の高温ガス領域、さらに一部の物質が高速で噴き出す「ジェット」が形成されます。そのため、可視光や紫外線、Ｘ線、電波など、さまざまな種類の光で観測されます。特に明るいものは「クエーサー」と呼ばれますが、こうした天体がどのように成長し、その母銀河の成長とどのように関連しているのかは、いまだ大きな謎です。

この謎を解く重要な手がかりの１つが「超エディントン降着」と呼ばれる状態です。ブラックホールが物質を取り込む速さ（質量降着率）には理論的な上限がありますが、いくつかの天体ではこの上限を超えた「超エディントン降着」が観測されています。これは、ブラックホールが短時間で急激に大きくなる可能性を示すもので、初期宇宙にすでに巨大なブラックホールが存在していた理由を説明する有力な手段とされています。

早稲田大学の 先進理工学研究科　修士課程の小渕紗希子（所属研究室：理工学術院 教授 井上昭雄研究室）、東北大学の市川幸平准教授を中心とする研究チームは、すばる望遠鏡の多天体近赤外撮像分光装置 MOIRCS（モアックス）を用いた分光観測により、初期宇宙にあるクエーサー周辺のガスの運動を調べ、超巨大ブラックホールの質量を高い精度で測定しました。その結果、「超エディントン降着」段階にあるクエーサーを約 120 億年前の宇宙で発見しました。Ｘ線での明るさから見積もると、このクエーサーの質量降着率は理論的な上限値の約 13 倍になります。この換算が正しければ、これまでに観測された同程度の質量を持つ超巨大ブラックホールの中では最も急速に成長している天体が発見されたことになります（図２）。

図２：今回発見された天体（eFEDS J084222.9+001000；赤い星）と過去の観測天体（紫や緑の印）のブラックホール質量（横軸）とクエーサーの光度（ブラックホールの成長率；縦軸）。実線はブラックホールの成長率（質量降着率）の理論的な限界（エディントン限界）を表し、点線はその限界値の 10 倍でガスが降着した場合を表しています。すばる望遠鏡の観測でブラックホールの質量が求められたことによって、本天体がエディントン限界を超えた「超エディントン降着」を示すことが明らかになりました。（クレジット：国立天文台）

特筆すべきは、このクエーサーがＸ線でも電波でも明るく輝いていることです。これまで、「超エディントン降着」の段階では、高温ガス領域が効率的に冷やされためＸ線が弱くなり、電波で観測されるジェットも目立たなくなると考えられていました。しかし本研究によって、超エディントン降着にありながら、Ｘ線と電波の双方で明るいクエーサーが初めて発見されました。従来は想定されていなかった特異なメカニズムが、このクエーサーに隠されている可能性があります。

研究チームは、極めて明るいＸ線が観測された理由として、超巨大ブラックホールの成長の勢いが変化している可能性を提唱しています。星やガスの塊との衝突などによって一時的に大量のガスが流入すると、ブラックホールは急激に成長して「超エディントン降着」に入り、その後、元の状態へ戻っていきます。その過程で超エディントン降着と明るいＸ線放射が同時に現れる可能性が考えられます。今回の天体でも同様の現象が起きているならば、初期宇宙で超巨大ブラックホールの成長が変動を伴いながら進行する過程を初めて捉えたことになります。

また、電波の明るさは、このクエーサーが、母銀河での星生成を抑制しうるほどの極めて激しいジェットを放出していることを示しています。「超エディントン降着」とジェット放射の関係は未解明ですが、今回の発見は、初期宇宙において母銀河と中心の超巨大ブラックホールがどのように影響し合いながら成長するのかを理解する上で、重要な手がかりになるでしょう。

論文の主著者の小渕さんは、「今回の発見は、これまで困難とされていた初期宇宙における超巨大ブラックホールの形成過程を解明することに繋がるかもしれません。今後、このクエーサーにおけるＸ線や電波の放射機構を探るとともに、まだ見つかっていない類似天体が存在しているのかどうかについても明らかにしていきたいです」と展望を語っています。

本研究成果は、米国の天体物理学専門誌『アストロフィジカル・ジャーナル』に 2026年1月21日付で掲載されました（Obuchi et al. “Discovery of an X-ray Luminous Radio-Loud Quasar at z = 3.4: A Possible Transitional Super-Eddington Phase“）。

すばる望遠鏡は自然科学研究機構国立天文台が運用する大型光学赤外線望遠鏡で、文部科学省・大規模学術フロンティア促進事業の支援を受けています。すばる望遠鏡が設置されているマウナケアは、貴重な自然環境であるとともにハワイの文化・歴史において大切な場所であり、私たちはマウナケアから宇宙を探究する機会を得られていることに深く感謝します。

研究助成

本研究成果は、科学研究費補助金（課題番号：25K01043、23K13154、22H00157）、JST 創発的研究支援事業（JPMJFR2466）、稲盛財団研究助成によるサポートを受けています。

論文情報

雑誌名：THE ASTROPHYSICAL JOURNAL
論文名：Discovery of an X-Ray Luminous Radio-loud Quasar at z = 3.4: A Possible Transitional Super-Eddington Phase
掲載日時：2026年1月21日
DOI：https://doi.org/10.3847/1538-4357/ae1d6d