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ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST)は、天文学と宇宙論の境界を押し広げるために作られた望遠鏡だ。1990年代に構想され、約10年後に開発が始まったこの次世代望遠鏡の目的は、スピッツァーと由緒あるハッブル宇宙望遠鏡(HST)が去った後を引き継ぎ、赤外線宇宙を調べ、これまで以上に過去に遡って調べることにある。ウェッブ望遠鏡の主な目的のひとつは、「宇宙の夜明け」に形成された高赤方偏移(high-Z)銀河を観測することだ。

この時期は、最初の銀河が大量の紫外線を放出して、銀河間物質 (IGM) を構成する中性水素をイオン化し、宇宙が透明になった「再電離の時代」にあたる。星形成の度合いを測るのに最も適しているのは、赤方偏移の高い銀河で中間赤外線に見えるHα輝線だ。今回、国際研究チームは、中間赤外線観測装置(MIRI)のデータを用いて、Hα線を分解し、赤方偏移が7より大きい銀河(z>7)を初めて観測することに成功した。

国際チームは、カプテイン天文研究所、アストロバイオロジーセンター(CSIC-CAS)、コズミックドーンセンター(DAWN)、国立宇宙研究所(DTU-Space)、英国天文学技術センター、ニールス・ボーア研究所ダークコスモロジーセンター(DARK)の研究者から構成されている、また、マックス・プランク天文学研究所(MPIA)、銀河系外天文学センター、ダブリン高等研究所(DIAS)、チューリッヒ工科大学、欧州宇宙機関(ESA)、宇宙望遠鏡科学研究所(STScI)、複数の大学も参加している。今回の研究成果を記した論文は、『The Astrophysical Journal』に掲載するための審査が行われている。

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再電離のエポックと宇宙で最初の銀河。(Credit: Durrive & Langer (2014))

この研究は、高赤方偏移銀河と銀河の形成と進化を研究しているカプテイン天文研究所の博士課程学生、 Pierluigi Rinaldiが主導した。Rinaldi博士と彼の同僚たちは、論文で次のように説明している。再電離期の高赤方偏移銀河の研究は、適切な施設がないため、常に大きな課題となっていた。これまでの研究では、ライマンアルファと呼ばれる中性水素が光子に当たって次のエネルギーに昇華されるスペクトル線に頼ってきた。

しかし、この線はIGM中の中性水素に吸収されてしまうため、霊長類化時代の銀河では非常に暗いか、存在しないことが分かっている。そこで天文学者は、電子が第2軌道と第3軌道の間を移動するときにスペクトルの赤い部分に現れるH-α(H-a)輝線を探してきた。H-a線は銀河間物質の不透明度に影響されないため、天文学者は初期銀河での星形成を研究することができる。Rinaldi氏がダイレクトメッセージでUniverse Todayに語ったように、ウェッブの観測装置を使えば、このようなことが可能になるのだ:

「ビッグバンから約7億年後にあたるz ~ 7のHa輝線を観測するには、5.6ミクロン(中間赤外線)付近の波長を観測できる装置が必要です。これまで、スピッツァーを除けば、これを実現する機会は限られていました。例えば、ハッブル宇宙望遠鏡にはこの能力がありませんでした。スピッツァーでも可能でしたが、この宇宙望遠鏡の空間分解能は、この目的には程遠いものでした。しかし、JWSTの登場により、この課題を達成することができるようになりました。特にMIRIは、非常に高い赤方偏移にあるHα星を探索するユニークな機会を与えてくれるのです」。

Riguili氏と彼の同僚は、まずウェッブ近赤外線カメラ(NIRCam)で取得したより高感度の画像を解析して、輝線の兆候を探した。次に、ESAがGTO (Guaranteed Time Observation) 期間中に取得した、MIRIによる長波長の超深度画像を分析した。さらに、これまでで最も深い宇宙の画像であったハッブル・エクストリーム・ディープ・フィールド(XDF)の付随データも使用した。

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ハッブル・エクストリーム・ディープ・フィールド(XDF)は、フォルナックス座の小さな空の一角を10年間かけて観測したハッブルの観測結果をまとめたもの。(Credit: NASA/ESA/G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch (UCSC)/R. Bouwens (Leiden University)/HUDF09 Team)

その結果、非常に明るい天体(5.6ミクロン)がいくつか見つかり、観測された銀河には非常に顕著なHα輝線が存在していることが分かった。Rinaldi氏が説明したように

「H-α線を観測していることを確認するために、光度計で “過剰 “な光度を示す銀河を分離する技術を用いました。これらの銀河が正しい距離(赤方偏移)にあると仮定して、H-a発光のフラックスを導き出しました。その後、分光観測を行うことで、天体の赤方偏移を確認することができました。したがって、エクストリーム・ハッブル・ディープ・フィールドの優れた波長範囲のおかげで、彼らの赤方偏移に関する最初の見積もりは正確だったのです」。

天文学者たちは、ウェッブの一連の分光器を使ってこれらの同じ銀河を観測し、銀河の輝線の形状についてより詳しく知ることでフォローアップすることを望んでいる。このデータから、初期銀河内のガス流量や星形成のダイナミクスについて、より詳しいことがわかるかも知れない。しかし現時点では、研究チームはこれらのエキサイティングな発見を追求し、「宇宙の夜明け」での銀河の初検出がどのような意味を持つかを見たいと考えている。

「私たちの現在の焦点は、最初の銀河が現れ始めて宇宙が再電離した瞬間を指す『再電離の時代』の文脈の中で、これらのH-aエミッターの役割を理解することです」とRinaldi氏は言う。「私たちは現在、このプロジェクトに積極的に取り組んでおり、近いうちにエキサイティングな結果を発表したいと思っています」。


論文

参考文献


この記事は、MATT WILLIAMS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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