初期宇宙の混み合った星団では、星どうしの衝突がありふれていた。くっつく衝突は巨星からブラックホールの種を作り、砕ける衝突は「小さな赤い点」を包む濃いガスを作る

2026.10.28
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ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）が初期宇宙を覗くようになってから、天文学には新しい宿題が増えました。ビッグバンから4〜5億年しかたっていない宇宙に、太陽の数百万倍から数億倍の質量を持つ超大質量ブラックホールが、もう存在していたのです。星が死んでできる普通のブラックホールが、宇宙の年齢の制限の中でそこまで太る時間はありません。どうやってそんな早くに巨大になれたのかは、まだ決着のついていない問題です。

2026年10月26日に The Astrophysical Journal に載った論文は、この問題に古くからある答えのひとつ、「星どうしの衝突」を、初期宇宙の実際の環境に当てはめて計算し直しました。結論を先に書くと、初期宇宙の星の密集した場所では星の衝突はありふれていて、ブラックホールの無い星団では衝突が重なって巨大な星を作り、ブラックホールのある星団では衝突で砕けた星のガスがブラックホールのまわりに濃くたまる、という2つの道が見えてきました。

星がぶつかるほど混み合った、初期宇宙の星団

論文の筆頭著者はカリフォルニア大学ロサンゼルス校（UCLA）の Claire E. Williams さんで、同じ UCLA の Smadar Naoz さんら11人の研究です。星どうしの衝突は、いまの宇宙でもめったに起きません。星は星団の中でもたいてい十分に離れています。ところが観測とシミュレーションのどちらも、初期宇宙には星がぎっしり詰まった小さな星系が数多くあったことを示しています。重力レンズで拡大された遠方の星団には、1平方パーセクあたり太陽10万個ぶんを超える密度のものも見つかっています。

チームは、こうした星団の中で星が衝突する頻度を、半径ごとに解く解析モデルを組みました。星団の中心からの距離によって星の密度も速度も違うので、場所ごとに別の計算をするわけです。星団の条件は宇宙論シミュレーション AREPO の結果に合わせて、半径0.2〜100パーセク、質量が太陽の1万〜10億倍、速度分散が秒速2〜200km、赤方偏移12から5までの範囲を調べました。中心に太陽の1,000倍から1,000万倍のブラックホールがある場合と無い場合の両方を扱い、解析モデルの予測は、中心1パーセクに1,000個の星を置いたモンテカルロ計算と照らして、おおむね数倍以内で一致することを確かめています。

初期宇宙の混み合った星団では、星どうしの衝突がありふれていた。くっつく衝突は巨星からブラックホールの種を作り、砕ける衝突は「小さな赤い点」を包む濃いガスを作る

くっつく衝突と、砕ける衝突

星の衝突には2種類あります。2つの星がぶつかる速さが、星の表面から物が逃げ出す速さ（脱出速度）より遅ければ、星は合体して1つの重い星になります。論文はこれを「建設的な衝突」と呼びます。逆にぶつかる速さが脱出速度を超えると、星は壊れて、中身のガスが周囲にまき散らされます。こちらは「破壊的な衝突」です。

どちらが起きるかを決めるのは、主に星団の中心に重いブラックホールがあるかどうかでした。ブラックホールが無い星団では、星の速度はそれほど上がらないので、衝突はほとんど建設的です。密度の高い星団では、合体でできた重い星がさらに別の星とぶつかりやすくなり、合体が連鎖します。モデルでは、太陽質量の星からなる星団でも、条件によっては合体の連鎖で太陽の10万倍を超える1つの星ができました。太陽の200倍を超える巨星ができる目安は、星団の密度が1立方パーセクあたり太陽10万個ぶん程度です。こうした超巨星は寿命が短く、ある質量を超えると一般相対論的な不安定で崩壊して、中間質量ブラックホール、場合によっては超大質量ブラックホールの種になります。

一方、中心にブラックホールがある星団では、その重力で星の速度が上がるので、中心の近くでは衝突は破壊的になります。太陽の400万倍、天の川の中心のブラックホールと同じ質量の場合、内側1パーセクで5,000万年のあいだに100回を超える衝突が起きました。砕けた星のガスは中心にたまっていきます。

砕けたガスが「小さな赤い点」を作る

ここで話が、JWST のもうひとつの宿題につながります。JWST は初期宇宙に、「リトル・レッド・ドット（小さな赤い点）」と呼ばれる、赤くて小さな天体を大量に見つけています。その正体は決まっていませんが、ひとつの有力な見方は、非常に濃いガスに包まれたブラックホールというものです。スペクトルの特徴を説明するモデルは、ガスの密度を1立方センチメートルあたり10の9乗から10の11乗個と見積もっています。

論文のモデルで破壊的な衝突がまき散らすガスは、同じくらいの質量のブラックホールについて、この密度を楽に超えました。計算上は1立方センチメートルあたり10の14乗個まで達します。つまり、初期宇宙の星団の中心にブラックホールがあれば、星の衝突だけで、小さな赤い点に要るような濃いガスの繭を用意できることになります。超新星がガスを吹き飛ばすまでの約5,000万年という時間の中での話です。

この結びつきには、観測で確かめる手立てもあります。衝突で星の中身がまき散らされると、星の内部で作られた窒素が周囲のガスに混ざり、酸素に対する窒素の比が高くなります。初期宇宙の密集した天体で窒素が多いという観測は実際にあり、著者は星の衝突や超巨星で説明できると書いています。ただし、窒素と酸素がどれだけ出るかの詳しい計算は、今後の研究に残されています。

まだモデルの段階

星の衝突がブラックホールの種になるという考え自体は、JWST より何十年も前からあります。この論文の新しさは、それを宇宙論的な初期条件から出発して半径ごとに解き、ブラックホールの有無で分かれる2つの道筋を、小さな赤い点までつなげたところにあります。いまの宇宙でも、太陽の10億倍ほどの質量の楕円銀河やレンズ状銀河では8割が中心に核星団を持ち、ほぼ全ての銀河が超大質量ブラックホールを持っています。初期宇宙の星団がその前身なら、衝突の多い環境は特別ではなく、普通だった可能性があります。

とはいえ、これは観測で確かめられた結果ではなく、モデルの話です。著者自身が限界を列挙しています。壊れた星から出るガスの量は、詳しいシミュレーションに比べて最大10倍ほど多く見積もっている可能性があります。合体でできた重い星がさらに衝突しやすくなる効果は、保守的に見積もるために入れていません。星団の中のガスの効果も無視していて、これを入れると星の動きを遅らせる摩擦が増え、衝突はむしろ増えるはずです。ブラックホールがそのガスをどう飲み込むかも、計算していません。

Naoz さんは Universe Today に、この研究は別々に提案されてきた筋書きをつなぎ合わせたもので、象の全体像の一部が見えるようになるかもしれない、と話しています。初期宇宙の巨大ブラックホールと小さな赤い点は、別々の謎ではなく、同じ混み合った星団の中で起きた、くっつく衝突と砕ける衝突の2つの顔かもしれません。

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