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100億ドルの宇宙望遠鏡で太古の昔を見つめ、太古の銀河からの非常に微弱な信号を見つけようとすることは、一見、さみしいことのように思えるかも知れない。しかし、何も見つからなければ、それこそ寂しいが、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡がそのシグナルを発見したことで、この計画は絶望的なものから希望に満ちたものへと変化した。

しかし、天文学者がその信号を確認することができればの話だ。

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST)は、過去にさかのぼって宇宙最初の銀河を特定するために作られた。この観測によって、古代の銀河と、私たちの銀河を含む現在の銀河の間につながりができるはずだ。この観測によって、私たちのような銀河が何十億年もかけてどのように形成され、進化してきたかを理解することができるのだ。

宇宙の膨張は、数十億年前の天体が放つ光を引き伸ばす。その結果、可視光線スペクトルの赤方面に光がシフトしてしまうのだ。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、この光を観測し、その光を放った古代の銀河を特定するために作られた。

この望遠鏡のGLASSサーベイは、この問題の核心に迫るものだった。パンドラ星団(Abell 2744)と呼ばれる銀河団を重力レンズとして使い、その背後にある遠方銀河を拡大し、初期銀河と思われる19個の明るい天体を発見したのだ。

また、JWSTの他の初期公開科学成果では、さらに多くの古代銀河と思われる天体が見つかっている。これらの発見を合わせると、科学的観測の玉手箱と言えるだろう。天文学者たちは、これらの発見を念頭に置いて、数十年前にJWSTの建設を開始した。しかし、私たちの銀河形成の理論やモデルからすると、このような最古の銀河はそれほど多くはないはずなのだ。そこで、JWSTの発見を確認する必要があったのだ。

研究チームは、欧州南天天文台のALMA (Atacama Large Millimetre/sub-millimetre Array) を用いて、GLASSから得られた銀河の候補を調べ、その確認を試みた。彼らの論文のタイトルは「Deep ALMA redshift search of a z ~ 12 GLASS-JWST galaxy candidate」で、Monthly Notices of the Royal Astronomy Societyに掲載された。筆頭著者は名古屋大学のTom Bakx氏だ。

これまで、JWSTの古代銀河の候補はどれも確認されていなかった。天文学者がそれらを確認できるまで、私たちは窮地に立たされている。Big Think誌のStarts With A Bangの記事の中で、天体物理学者のEthan Siegelはこの点を雄弁に語っている。「もし、これらの超遠方銀河の候補がすべて本物であった場合、あまりにも多くの銀河が早々と存在することになり、宇宙で銀河がどのように形成され始めるかを再考せざるを得なくなる。しかし、私たちは完全に自分自身を騙しているかもしれませんし、現在のデータだけでは確かなことはわかりません。遠くの銀河が放つ光と、宇宙を何十億光年も旅して私たちの目に届く光には、とてつもない違いがあるのです。」と、書いている。

これらの古代の候補のどれかを確認するためには、より多くの観測が必要で、それがこの研究者チームの集めたものだった。「ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の最初の画像は、非常に多くの初期銀河を明らかにしたので、我々は、地球上で最高の観測所を使ってその結果を検証しなければならないと感じました。」と、主執筆者のBakx氏はプレスリリースで述べている。

GHZ2/GLASS-z12という銀河は、JWSTの観測でz > 10の最も明るく堅牢な候補の1つです。z > 10は、この銀河からの光が131億8400万年以上にわたって旅し、少なくとも265億9600万光年を移動してきたということを意味する。Siegel氏が彼の記事で指摘したように、260億光年以上旅した光が私たちに到達するまでに、さまざまなことが起こりうるのだ。

「これらの候補の原始的な性質を確認するには、分光が必要です」と、著者らは論文に書いている。これらの銀河からの光が赤いのは、距離ではなく塵のせいである可能性があり、分光観測によってこの2つを区別することができるのだ。そこで、現在稼働している地上望遠鏡の中で最も高価なアルマ望遠鏡に注目した。

アルマ望遠鏡を使い、JWSTの観測で見つかったのと同じ周波数の酸素線(O III)を分光観測で探した。O IIIは二重イオン化された酸素で、酸素は他の元素に比べて生成時間が短いため、重要な鍵になる。酸素に注目することで、検出の可能性が高まったのだ。

星は5,000万年という短い時間で酸素を生成することができる。例えば、炭素のような他の元素は、銀河の中に出現するのに5億年近くかかるのだ。このことは、酸素が一般に最も優れた赤方偏移指標であり、初期宇宙で最も明るい輝線である可能性が高いことを意味すると著者らは述べている。アルマ望遠鏡はそれを見つけることができるだろうか?

アルマのパワーは期待を裏切らなかった。

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この図は、JWST が検出した明るい天体(黄色の点線の内側にあるオレンジ色のぼかし)から、酸素 (O III) の輝線(緑の等高線)がどのようにずれているかを示している。(Credit: Bakx et al. 2023.)

しかし、アルマ望遠鏡の確認はすぐにできたわけではない。JWSTの観測とアルマ望遠鏡の観測では、酸素の信号が少しずれていたのだ。

「我々は当初、検出された酸素輝線とウェッブで見た銀河の位置がわずかに異なることを懸念していました。」と著者のTom Bakx氏は記します。「しかし、我々は観測で詳細なテストを行い、これが本当に確かな検出であり、他の解釈ではとても説明できないことを確認しました。」

この観測は、銀河の年齢を確認するだけでなく、その金属量にも光を当てている。この観測は、銀河が酸素のような元素で満たされるのに十分な数の星が、その頃すでに誕生と消滅を繰り返していたことを示している。「この明るい輝線は、この銀河が水素やヘリウムよりも重い元素で、ガスの貯蔵庫を急速に濃縮したことを示しています。このことは、第一世代の星の形成と進化、そしてその寿命について、いくつかの手がかりを与えてくれます」と、共同研究者である国立天文台のJorge Zavala氏は語っている。

この観測は、もうひとつの興味深い手がかりも持っている。銀河系に金属をもたらした星のうち、少なくともいくつかは超新星爆発を起こした可能性があるのだ。「酸素ガスと星の発光の間に見られる小さな隔たりは、これらの初期銀河が激しい爆発に見舞われて、ガスが銀河の中心から銀河の周辺、さらにはその向こう側まで吹き飛ばされたことを示唆しているかもしれません」とZavala教授は付け加える。

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銀河 GHZ2/GLASS-z12 の画像とそれに付随するアルマ望遠鏡のスペクトル。アルマ望遠鏡の深い分光観測により、銀河近傍に電離した酸素に起因するスペクトル輝線が発見されたが、この輝線は輝線が放出されてから宇宙の膨張により、観測周波数がシフトしている。(Credit: NASA / ESA / CSA / T. Treu, UCLA / NAOJ / T. Bakx, Nagoya U.)

宇宙初期の銀河を発見することは、JWSTの主要な動機であり、今回の研究が示すように、JWSTは前進している。現在、確認待ちの初期銀河の候補は増え続けており、もし多くの初期銀河が確認されれば、天文学者はその説明と銀河形成のモデルの更新に追われることになるだろう。

しかし、Zavala氏によれば、それは良いことなのだそうだ。新しい証拠によって科学者がモデルを更新することを余儀なくされるとき、私たちの理解は深まる。この研究は、アルマ望遠鏡とJWSTがどのように連携して、我々の知識を向上させることができるかを示している。「アルマとJWSTは非常に相乗効果が高く、初期銀河の形成と進化に関する我々の理解を一変させるはずだと結論付けています。」と、著者らは述べている。

「アルマ望遠鏡による深い観測は、ビッグバンから数億年以内に銀河が存在したことを示す確かな証拠であり、ウェッブ望遠鏡の観測で得られた驚くべき結果を裏付けるものです。JWST の観測はまだ始まったばかりですが、私たちはすでに、宇宙初期に銀河がどのように形成されるかというモデルを、これらの観測結果と一致させるために調整しているところです。ウェブと電波望遠鏡アルマの力を合わせれば、宇宙の曙光にますます近づくことができると確信しています。」と、Zavala氏は述べている。


論文

参考文献

研究の要旨

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST)は、宇宙のごく初期(ビッグバンから500年未満)に、驚くほど多くの明るい銀河の候補を発見し、現在の銀河形成モデルに疑問を投げかけている。これらの銀河候補の原始的な性質を確認し、最初の銀河がどのように星を形成し成長していくかを理解するためには、分光観測が必要だ。ここでは、GLASS-JWSTの初期リリース科学プログラムで同定された、z>10で最も明るく堅実な候補の一つであるGHZ2/GLASS-z12に対するアルマ望遠鏡による分光観測と連続スペクトルの観測を紹介する。その結果、GHZ2/GLASS-z12の位置から0.5″ずれたところに5.8σの線を検出し、[OIII] 88ミクロン遷移と関連して、分光学上の赤方偏移がz=12.117±0.001であることを示唆する結果を得た。この検出は、広範な統計的検定によって検証された。この酸素輝度は、GHZ2/GLASS-z12が金属量の少ない銀河の[OIII]-SFR関係より高い位置にあり、JWSTが観測した発光は金属量の少ない領域であるのに対し、この系で[OIII]発光が増強されていることを示唆するものだった。これらの観測で見られたダストの発光の少なさは、JWSTで観測された青い紫外線の傾きと一致しており、この初期のエポックにおける銀河のダスト減衰の少なさを示唆している。今後の観測によって、赤方偏移が明確に確認され、幅広でオフセットした線の起源やこの初期銀河の物理的性質が明らかになると期待される。この研究は、JWSTとALMAの相乗効果を示すとともに、z>10銀河の候補の将来の分光調査への道を開くものだ。

この記事は、EVAN GOUGH氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。

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