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ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が134億年以上前に形成された、これまで観測された中で最も遠い銀河を発見

国際的な天文学者のチームが、NASAジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST)のデータを用いて、これまでに確認された中で最も古い銀河を発見した。今回発見された銀河は、これまでにも発見された多くの遠くに“あるように見える”銀河とは異なり、宇宙の誕生であるビッグバンからわずか4億年未満で誕生した物であり、実際に134億年以上の年齢である事が確認された初めての例となる。

天文学者は、赤方偏移と呼ばれる尺度を用いて、宇宙の天体までの距離を測定している。宇宙の膨張により、地球から遠い天体ほど、私たちから遠ざかる速度が速くなる。ドップラー効果とは、音の高さが、聞く人に近づくか遠ざかるかによって、高くなったり低くなったりする効果のことで、銀河から届く光の色は、遠ざかる速度が速くなるほど赤くなる銀河がどれくらい赤く見えるかを実際の色と比較することで、天文学者は銀河が実際にどれくらい遠くにあるのかを知ることができるのだ

JWSTによる初期の銀河観測では、銀河から届く光のスペクトルの詳細なデータがなかったため、それぞれの銀河の赤方偏移を近似的にしか知ることができなかった。その中には、赤方偏移が12以上、つまり3000万光年以上離れていて、ビッグバンから4億年以内に形成されたであろう銀河の存在が示唆されたが、多くの科学者は、正確な確認ができていないため、この発見に懐疑的な見方を示していた。

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JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) は、ハッブル宇宙望遠鏡の超深場とその周辺に焦点を当てた。ウェッブ望遠鏡の観測装置「NIRCam」を用いて、9つの赤外線波長域で観測を行った。これらの画像 (左図) から、赤外線で見えているにもかかわらず、ライマンブレイクと呼ばれる波長でスペクトルが途切れてしまう暗い銀河を探し出した。その結果、それぞれの銀河の赤方偏移を正確に測定することができた (右図)。このうち4つの銀河は、前例のないほど早い時期に発見された特別な銀河だ。これらの銀河は、ビッグバンから4億年未満、つまり宇宙が現在の2%の年齢しかなかった時代にさかのぼる。背景画像では、青が1.15ミクロン (115W)、緑が2.0ミクロン (200W)、赤が4.44ミクロン (444W) の光を表している。切り出し画像では、青は0.9と1.15ミクロン(090W+115W)、緑は1.5と2.0ミクロン(150W+200W)、赤は2.0、2.77、4.44ミクロン(200W+277W+444W)の組み合わせである。( CREDIT: NASA, ESA, CSA, STScI, M. Zamani (ESA/Webb), and L. Hustak (STScI).SCIENCE:B. Robertson (UCSC), S. Tacchella (Cambridge), E. Curtis-Lake (Hertfordshire), S. Carniani (Scuola Normale Superiore), and the JADES Collaboration.)

今回の発見は、実際に赤方偏移が確認出来、その銀河が実際に古いことが確認出来た最初の例となる。

イギリスのハートフォードシャー大学のEmma Curtis-Lake氏はNASAのブログで次のように述べている。「これらの銀河が、本当に、初期宇宙に存在していることを証明することが極めて重要でした。実際には近い所にある銀河が、非常に遠い銀河のように見せかける可能性は非常に高いのです。」と述べている。

現在、JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) の一環として、研究者は、約10.4から13.2までの4つの非常に遠い銀河の赤方偏移を確認した。これは、ビッグバンから3億2500万年から4億5000万年の間に形成されたことを意味する。これまで確認された最も高い赤方偏移の記録は約11だった。

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ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が撮影した、JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) の調査対象領域を強調する画像。この領域は、ハッブル宇宙望遠鏡の超深場とその周辺にあたる。科学者たちは、ウェッブのNIRCam装置を使って、9つの異なる赤外線波長域でフィールドを観測した。これらの画像から、赤外線で見えているにもかかわらず、ある波長で急激にスペクトルが途切れてしまう暗い銀河を探した。さらに、ウェッブ望遠鏡の近赤外線観測装置 NIRSpec を用いて、それぞれの銀河の赤方偏移を測定し、銀河に含まれるガスや星の性質を明らかにした (ここでは示されていない。)この画像では、青が 1.15 ミクロン (115W)、緑が 2.0 ミクロン (200W)、赤が 4.44 ミクロン (444W) の光を表している。(Credit: NASA, ESA, CSA, and M. Zamani (ESA/Webb). SCIENCE: B. Robertson (UCSC), S. Tacchella (Cambridge), E. Curtis-Lake (Hertfordshire), S. Carniani (Scuola Normale Superiore), and the JADES Collaboration.)

「この観測は3日間で28時間かけて行われ、全部で250個の暗い銀河をカバーしました。2023年にも別の観測が計画されています。この観測によって、さらに多くの遠方銀河が確認され、銀河形成の初期や最遠方銀河が我々の宇宙の近隣にある銀河とどのように異なるかについて、私たちに教えてくれるものと期待されています。」と、イタリア・ノルマル・スーペリオーレ大学の Stefano Carniani教授は語っている。

研究の要旨

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST)による観測は、宇宙時間の最初の4億年の間に候補となる銀河を発見した。これらの銀河の性質は、初期の銀河形成や宇宙再イオン化を理解するための初期条件となる。これらの候補銀河は、これまで考えられていたよりも質量が大きく、量も多い可能性があることが事前に示されている。しかし、銀河の固有輝度を制約するための分光観測による距離の確証がないため、これらの銀河の推定される性質は不確かなままだ。ここでは、JWSTの近赤外線カメラ(NIRCam)で撮影され、光度赤方偏移z〜10-13が確認された4つの銀河を報告する。これらの銀河は、JWSTによって発見され、分光学的に確認された最初の赤方偏移z>12の銀河を含んでいる。恒星集団モデリングにより、これらの銀河には通常1億太陽質量の星が含まれており、1億年未満の恒星集団であることがわかった。また、適度な星形成率とコンパクトなサイズから、星形成率の高い表面密度が示唆され、その形成経路を知る上で重要な指標となる。これらの測定結果は、宇宙再イオン化に貢献した最初の銀河が、強い内部放射場を持ちながら急速に形成されたことを示している。

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