ビッグバンから1億年から10億年後の「宇宙の夜明け」と呼ばれる時代には、未だ解明されていない多くの“奇妙な何か”がある。これは科学者達にとってこれまで頭を悩ませる問題だった、ついに解決策が見つかった可能性がある。私たちが予想していたよりもはるかに多くの紫外線が、黎明期の銀河から放たれているのだ。

「これらの銀河の発見は大きな驚きでした。予想よりもかなり明るかったからです。通常、銀河が明るいのは大きいからです。しかし、これらの銀河は宇宙の夜明けに形成されたため、ビッグバンから十分な時間が経っていません。このような巨大な銀河が、どのようにしてこれほど早く集まったのでしょうか？」と、新しい研究の上席著者であるClaude-André Faucher-Giguère氏は言う。

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）によって昨年初めて発見されて以来、これらの光り輝く銀河は天文学者を困惑させてきた。予想に反して、このような光り輝く巨大銀河が宇宙の初期にどのように発達したのかは誰にも分からなかった。研究者の中には、この銀河が宇宙における多くの現象を記述する、十分に検証された枠組みであるΛ-CDMモデルとしても知られる宇宙論の標準モデルを超えた、エキゾチックな新しい物理学を暴露している可能性を示唆する者さえいる。

このため、ノースウェスタン大学の天体物理学者たちは、ビッグバンから間もなく出現した最初期の銀河の性質を見極めることを目的としたコンピューター・シミュレーションを実行した。

最近のシミュレーションの結果、これらの銀河はおそらく以前考えられていたほど巨大ではないことがわかった。しかし、このモデルは、JWSTによって検出された銀河と同じ、非常に明るい銀河を作り出した。

この発見は、質量がそれほど大きくない銀河も、星形成の断続的でまばゆいバーストによって、質量が大きい銀河と同じように明るく輝く可能性があることを示唆している。このことは、ビッグバン後の最初の10億年間における余分な紫外線を説明するために、非標準的な宇宙モデルなどの解決策に頼る必要がないことを意味している。

「この発見は、なぜ若い銀河が見かけによらず巨大に見えるのかを説明するだけでなく、宇宙論の標準モデルにも合致する」と公式リリースは述べている。

スターバースト

JWSTによる初期宇宙の観測は、ビッグバン後の臨界期に関する我々の先入観を覆した。この望遠鏡は、私たちが予想していたよりもはるかに多くの銀河を発見し、その姿は私たちが考えていたものとはまったく異なっていた。

その中には、天文学者が宇宙の夜明けに見つけるだろうと考えていたものよりも、はるかに明るく輝いているものもある。これは、これらの銀河がかなり大きいことを意味していると解釈できる。しかし、銀河が光を発する方法はそれだけではない。

「重要なのは、ある系で短時間に十分な量の光を再現することです。このようなことが起こるのは、その系が本当に巨大であるか、あるいは素早く大量の光を作り出す能力を持っているかのどちらかです。後者の場合、星系はそれほど巨大である必要はない。星形成がバースト的に起これば、閃光を放つことになる。そのため、非常に明るい銀河がいくつも見られるのです」と、この研究の筆頭著者であるGuochao Sun氏は述べている。

これらの初期の銀河の光が、大きさによるものなのか、それとも星形成によるものなのかを解明するために、Sun氏の率いる研究チームは、ビッグバン直後に利用可能だった物質と環境を用いて、宇宙の夜明けの間に銀河が形成される様子をコンピューター・シミュレーションでモデル化した。

近傍の宇宙でより成熟した銀河、つまり、大きく、確立され、比較的落ち着いた銀河は、多かれ少なかれ安定した速度で星を生み出す傾向がある。

研究者たちがシミュレーションを行ったところ、「宇宙の夜明け」の銀河は異なることを発見した。彼らの星形成は、数百万年の星形成の少ない期間を挟んで、猛烈なバーストで起こったのである。

これはバースト的な星形成として知られており、特に質量の小さい銀河によく見られる。その理由は明らかではないが、天文学者たちは、星形成が星自身によって抑制されるフィードバックと呼ばれる現象に関係していると考えている。

「我々が考えているのは、星が爆発的に形成され、数百万年後にそれらの星が超新星として爆発するということです」とFaucher-Giguère氏は説明する。

「ガスは追い出され、また新しい星を形成するために戻ってくる。しかし、銀河が十分な質量を持つようになると、重力が非常に強くなります。超新星爆発を起こしても、ガスを系外に放出するほどの力はありません。重力が銀河系をつなぎとめ、定常状態に持っていくのです」。

シミュレーションはまた、一度に観測される明るい銀河の数がJWSTの観測結果と一致することも示した。これは、予想外の光の原因が大きさではなく、バースト的な星形成にあることを示す、これまでで最も強力な証拠である。

研究者らは、バースト性を考慮した今後の研究は、銀河や銀河団の初期進化のモデルに役立つだろうと述べている。

論文

• The Astrophysical Journal Letters: Bursty Star Formation Naturally Explains the Abundance of Bright Galaxies at Cosmic Dawn

参考文献

• Northwestern University: Bursts of star formation explain mysterious brightness at cosmic dawn