昨年夏に打ち上げられたジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の近赤外線カメラ (NIRCam) による最初のデータで、宇宙が現在の年齢のわずか3%しかなかった頃、つまりビッグバンからわずか5億年から7億年後の時代の銀河を6つ発見した。JWSTはこのような大昔の銀河を発見したが、その一方で、このデータには謎がある。

これらの銀河は幼年期のものであるはずだが、まるで現在の銀河のように、宇宙の誕生から間もない時期に天文学者が予想したよりも100倍も多くの恒星を含んでいるのだ。この発見が確認されれば、銀河の形成に関する現在の考え方に疑問を投げかけ、宇宙論の多くのモデルに挑戦することになる。

これらの銀河からの光をモデル化したペンシルバニア州立大学天文学・天体物理学助教授のJoel Leja氏は、「これらの天体は、誰もが予想していたよりもはるかに巨大です。この時点では、小さくて若い赤ちゃん銀河しか見つからないと思っていましたが、これまで宇宙の黎明期と理解されていたところに、私たちの銀河と同じくらい成熟した銀河が発見されたのです。」と、述べている。

このデータは、JWSTが宇宙進化早期公開科学（CEERS）プログラムの一環として撮影したもので、望遠鏡の早期公開プログラムの一環として公開された最初のデータセットだ。このプログラムは、新しい望遠鏡の観測能力を紹介し、天文コミュニティがさまざまな装置で観測時間を最大限に活用する方法を学ぶために役立てられている。

NIRCam の赤外線の目は、最も古い星や銀河が放つ光を検出することができ、私たちが知っている宇宙の始まりに近い、およそ 135 億年前にさかのぼることが出来る。今回の観測では、ハッブル宇宙望遠鏡（HST）が撮影した画像と重なる、星や銀河がまったく見えない「空白域」を観測した。

これまで、ビッグバンから約10億年後には太陽の1000億倍もの恒星質量をもつ巨大銀河が確認されていたが、それよりも早い時期に巨大銀河を見つけることは困難だった、と研究チームは『Nature』に発表している。

研究チームは、JWSTの初期リリース観測データの中から、宇宙史の最初の5億年から7億5千万年にかけて、本質的に赤方偏移の大きい銀河を探し出した。赤方偏移とは、宇宙の膨張により、遠方の天体からの光がスペクトルの赤い方に波長をシフトさせることで、天体の年齢を測る指標となるものだ。赤みが強いほど、遠い天体であることを示している。

その結果、赤方偏移の大きい場所 (z = 6.5 と z = 9.1) に、太陽の100億倍もの質量を持つ大質量銀河が6つ見つかった。これは予想よりもはるかに大きなものだ。

Leja氏はプレスリリースで、「私たちは初めて超初期宇宙を調べましたが、何を見つけることになるのか見当もつきませんでした」と述べている。「科学にとって大きな問題となる、予想外のものを見つけました。それは、初期の銀河形成の全体像に疑問を投げかけています。」

Leja氏は、チームが発見した銀河は、宇宙論の99％のモデルと矛盾するほど大質量であると説明してい。このような大質量を考慮するには、宇宙論のモデルを変更するか、初期宇宙での銀河形成に関する科学的理解を見直す必要があるのだ。 どちらのシナリオにせよ、宇宙がどのように生まれたかについての我々の理解を根本的に変える必要があると、彼は付け加えました。

しかし、研究チームはこの発見を確認するために、さらに多くの観測とデータを必要としており、より多くのデータによって、彼らが発見したものに対する他の説明が明らかになるかも知れないことを認めている。

「これは、私たちが初めてここまで遡って見たものなので、私たちが見ているものについてオープンマインドでいることが重要です。このデータは、それらが銀河である可能性を示していますが、これらの天体のいくつかは、本当は隠された超巨大ブラックホールであることが判明する可能性があると思います。しかし、今回発見された質量は、宇宙のこの時期に知られている星の質量が、これまで考えられていたよりも最大で100倍も大きいことを意味します。たとえサンプルを半分に減らしても、これは驚異的な変化なのです。」

今後の計画は、NIRCamでこれらの銀河のより多くのデータを取ることになっており、それはこれらの銀河がどのように、そしてどのように遠くにあるのかについての詳細を提供することになる。

「面白いのは、JWSTから学びたいことがたくさんあるのに、これはリストのトップに近いところになかったことです。私たちは、宇宙に問いかけるとは思ってもみなかったものを見つけました。そして、それは私が思っていたよりもずっと早く起こったのですが、私たちはここにいます。」と、Leja氏は述べている。

論文

• Nature: A population of red candidate massive galaxies ~600 Myr after the Big Bang

参考文献

• Penn State: Discovery of massive early galaxies defies prior understanding of the universe

研究の要旨

ビッグバンから約10億年後の赤方偏移z〜6までの間に、恒星質量が〜10¹¹太陽質量の銀河が同定されている。しかし、正確な質量推定に必要なバルマーブレーク領域が2.5μm以上の波長で赤方偏移されているため、それ以前の時代に重い銀河を発見することは困難だった。ここでは、JWST初期リリース観測の1-5μm領域を利用して、宇宙史の最初の≈7億5000万年にある本質的に赤い銀河を探す。その結果、ビッグバンから500-700万年後の7.4 ≤ z ≤ 9.1に、恒星質量が10¹⁰太陽質量の銀河を含む6つの大質量銀河の候補を発見した。もし分光観測で検証されれば、大質量銀河の恒星質量密度は、紫外線で選択されたサンプルに基づくこれまでの研究で予想されていたよりもはるかに高くなることが予想される。

この記事は、NANCY ATKINSON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。