ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡、120億光年彼方の複雑な有機分子を検出

天文学者がジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST)を使って120億光年以上離れた銀河を見たとき、彼らは時間をさかのぼって観察をしている事になる。そして、その遠くの銀河で有機分子を見つけたと言う事は、初期の宇宙において有機分子を見つけた事と同義であり、彼らはそれを成し遂げたのだ。

有機分子は通常、星が形成されている場所で見つかるが、この場合はそうではない。

有機分子は多環芳香族炭化水素（PAH）であり、科学者は生命の構成要素だと考えている。PAHは、燃焼の副産物として地球上に自然に存在する。また、星と星の間にある物質や放射線である星間物質（ISM）にも多く含まれている。星と星の間にある物質や放射線である星間物質（ISM）にも存在し、星が形成される際の冷たいガスの領域を示している。

遠い昔の銀河からPAHを見つけるには、高度な技術と技術、そして偶然の運が必要だった。JWSTは、その鋭い赤外線観測能力で技術を提供し、30億光年離れた前景銀河が遠方銀河と並んでいることが幸運をもたらした。30億光年先にある銀河が遠くの銀河と重なり、重力レンズの役割を果たし、遠くの銀河の光を増幅しているのだ。

その銀河は、SPT0418-47と呼ばれている。120億光年の彼方にあるだけでなく、ビッグバンから約15億年後、宇宙が現在の年齢の10％しかなかったころの光を、天文学者は見ているのだ。

SPT0418-47の古い光は、前景の銀河の周りにアインシュタイン・リングと呼ばれる輪を形成している。アインシュタインは、一般相対性理論でこのリングを予言した。光は増幅され、強力なJWSTの中間赤外線観測装置(MIRI)で調べられた。

PAHを発見した研究者は、北米、南米、欧州の異なる研究機関の出身です。彼らは、「Spatial variations in aromatic hydrocarbon emission in a dust-rich galaxy」と題するNature誌の記事で、その成果を発表した。筆頭著者は、テキサスA&M大学物理学・天文学科のJustin Spilker氏だ。

「ウェッブの素晴らしい能力を自然の『宇宙の虫眼鏡』と組み合わせることで、他の方法では見ることのできない、さらに詳細な情報を見ることができました」と、主執筆者のSpilker氏は語る。「この倍率の高さが、そもそも私たちがウェッブでこの銀河を見ることに興味を持った理由です。それは、他の方法では決して見ることができない、宇宙初期の銀河を構成するものの豊かな詳細をすべて見ることができるからです」。

PAHにはいくつかの種類があるが、共通しているのは大きさだ。最も単純なナフタレンでも、炭素原子10個と水素原子8個です。大きいものでは50個の炭素原子を持つものもある。

「このような大きな分子は、実は宇宙ではよく見られるものです」とSpilker氏は説明する。「天文学者は、これらの分子が新しい星が形成される良い兆候だと考えていました。これらの分子を見ることができる場所では、星の赤ちゃんもすぐそこにいて、燃え上がっているのです」。

PAHは、長い間、星の誕生と関連付けられてきた。天文学者は、天の川銀河のさまざまな場所で、星の誕生が活発な領域でPAHを発見した。また、明るい若い星の近くに大きな分子があることも発見されている。

しかし、この場合、古代銀河には星形成を伴わないPAHが豊富に存在し、星形成を伴わないPAHは存在しない。

「ウェッブの高精細画像のおかげで、煙はあるが星形成がない領域と、新しい星が形成されているが煙はない領域がたくさん見つかりました」とSpilker氏は述べている。

遠く離れた古代のSPT0418-47では、再考を要する何かが起こっているのだ。PAHと星形成の関連性は、かつて考えられていたほど強くない。とにかく、初期宇宙ではそうではなかったのだ。

天文学者は、1つの銀河の観測から結論を出すことは出来ない。PAHの存在と星形成のミスマッチは、より多くの観測によって初めて解明されるのだ。JWSTの観測に期待しよう。

イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の大学院生、Kedar Phadke氏は、「このような発見は、まさにウェッブがそのために作られたもので、宇宙の初期段階を新しく刺激的な方法で理解することです」と述べている。「何十億光年も離れた場所にある分子が、スモッグや煙のように私たちが好まない形で現れるとしても、私たちがこの地球で親しんでいる分子を特定できることは驚くべきことです。また、今までにないウェッブの素晴らしい能力を示す力強い言葉でもあります」。

PAHからの赤外線と、より大きなダスト粒からの赤外線を区別するためには、いくつかの切り分けが必要だった。塵の粒は、宇宙の歴史を通じて星からの放射線の約半分を吸収し、赤外線として放出している。このような塵からの赤外線は、初期の銀河の姿を曇らせてしまう可能性がある。

Joaquin Vieira氏はイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の天文学・物理学教授で、この研究チームの一員だった。「このプロジェクトは、私が大学院で、塵に覆われた検出困難な超遠方銀河の研究をしていた時に始まりました」とVieira氏は言う。「塵の粒は、宇宙で生成される恒星放射の約半分を吸収・再放出するため、遠くの天体からの赤外線を、地上の望遠鏡で非常に暗くしたり、検出できないようにします」。

JWSTの打ち上げ以前は、これらの古代銀河を実際に観察する方法はなかった。その代わりに天文学者は、明るいコンパクトな青色コンパクト矮小銀河（BCD)と呼ばれる銀河を観測していた。この小さな銀河は、天文学者が宇宙初期によく見られたと考えられている小さな銀河に似ている。多くの研究者は、私たちの銀河や他の銀河が、BCDを含む合体によってこれほど大きくなったと考えている。BCDの中には、PAHの生成を可能にするものもあるが、紫外線で明るく輝く若い星がPAHsを破壊することもあるのだ。

BCDは太古の銀河の代用品として使われ、その観測は興味深いものだったが、常に疑問視されていた。しかし、その初期銀河は手の届かないところにあった。

しかし、JWSTの強力な赤外線観測力がそれを変えた。重力レンズと組み合わせることで、遠くの天体の姿がより鮮明になるのだ。

「これは予想外でした」とVieira氏は言う。「このような複雑な有機分子をこれほど広大な距離で検出することは、今後の観測に関して画期的なことです。この仕事は最初のステップに過ぎず、私たちは今まさにその使い方を学び、その能力を身につけたところです。これがどのように展開されるのか、とても楽しみです」。

PAHは炭素を含むので、天文学者は、何世代もの星が生きては死んでいったときにのみ存在し得ると考えている。水素やヘリウムよりも重い元素は、ビッグバンでは誕生しなかった。恒星の核合成でしか作れないのだ。星の中で作られた元素は、星が「死ぬ」ときに宇宙に拡散していく。

「この研究が今、私たちに教えてくれていること、そして私たちはまだ学んでいるのですが、これらの小さな塵の粒があるすべての領域を見ることができるということです-JWST以前は決して見ることができなかった領域です」とPhadke氏は言う。「新しい分光データにより、銀河の原子・分子組成を観測することができ、銀河の形成、そのライフサイクル、進化の仕方について非常に重要な知見を得ることができます」。

なぜPAHが星形成を伴わずに見られ、その逆もまた然りなのか、まだ説明がついていない。もし、他の古代銀河の観測でも同じようなことが見られるなら、天文学者は何かを掴んだことになる。

今回のJWSTの観測は、早期公開の科学プログラムである「TEMPLATES」から行われました。TEMPLATESとは、Targeting Extremely Magnified Panchromatic Lensed Arcs and Their Extended Star formationの略だ。TEMPLATESチームは、「レンズの拡大により、JWSTはこれらの赤方偏移で可能な限り高い空間分解能を持つようになり、星形成と塵の消滅の重要なスペクトル診断をマップする」と記している：個々の遠方銀河のHα、Paα、3.3um PAHをマッピングすることができた。

TEMPLATESは、重力レンズを通しての4つの銀河の観測を特徴としている。4つの銀河のうち2つは非常に塵が多く、ハッブル望遠鏡のような望遠鏡では中を見ることが出来ない。しかし、JWSTは塵のベールを突き破り、塵をマッピングすることができる。その結果、PAHが見つかり、宇宙初期の星形成の新たな側面が見えてきたかも知れない。

「ウェッブ望遠鏡はまだ日が浅いので、天文学者はウェッブ望遠鏡が私たちのためにできる新しいことをすべて見ることに興奮しています」とSpilker氏は述べている。「宇宙の歴史の初期にある銀河の煙を検出する？ウェッブはこれを簡単にやってのけます。煙があれば火がある、というのが本当に正しいのかどうか、これから検証していきたいと思います。もしかしたら、宇宙空間で複雑な分子が形成されていないような若い銀河が見つかって、銀河は火と煙でできているかもしれません。それを確かめるには、もっと多くの銀河を、できればこの銀河よりももっと遠くの銀河を見るしかないのです」。

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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