宇宙初期の「暗黒時代」を終わらせたものは何か?ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の新データが謎の解明に近づく

The Conversation
投稿日
2024年2月29日 14:14
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ビッグバンから約40万年後、宇宙は非常に暗い場所だった。宇宙の爆発的な誕生の輝きは冷め、宇宙空間は高密度のガス(ほとんどが水素)で満たされ、光源はなかった。

何億年もかけてゆっくりと、ガスは重力に引かれて塊となり、やがて塊は発火するのに十分な大きさに成長した。これが最初の星である。

最初のうちは、水素ガスの霧に吸収されてしまい、光は遠くまで届かなかった。しかし、星の数が増えるにつれて、ガスが「再電離」して霧を焼き払うのに十分な光を発するようになり、今日私たちが目にする、輝く光の点が点在する透明な宇宙が誕生したのである。

しかし、暗黒の時代を終わらせ、いわゆる「再電離の時代」を引き起こしたのは、いったいどの星なのだろうか?『Nature』誌に掲載された研究では、巨大な銀河団を虫眼鏡のように使って、この時代のかすかな遺物を観察し、小さくて暗い矮小銀河の星々が、この宇宙規模の変革に関与している可能性が高いことを発見した。

何が暗黒時代を終わらせたのか?

ほとんどの天文学者は、銀河が宇宙を再電離する主要な力であることにすでに同意していたが、銀河がどのようにそれを行ったのか、そのメカニズムは明らかではなかった。銀河の中の星が電離光子をたくさん作るはずだということは分かっているが、その光子は銀河の中の塵やガスから逃れて、銀河と銀河の間の空間で水素をイオン化する必要がある。

しかし、この光子が銀河内の塵やガスから抜け出て、銀河と銀河の間の空間にある水素を電離する必要がある。(実際、大きなブラックホールのようなエキゾチックな天体が原因ではないかと考える人々もいる)。

銀河系説の信奉者には2つの陣営がある。

ひとつは、巨大で質量の大きな銀河が電離光子を生成したと考えるものだ。初期の宇宙には銀河の数はそれほど多くなかったが、それぞれが大量の光を発生させた。そのため、もしその光のある割合が逃げ出せば、宇宙を再電離するのに十分な量になったかもしれない。

第二の陣営は、巨大銀河を無視して、宇宙初期に存在した膨大な数の小さな銀河に注目した方がいいと考えている。これらの銀河のひとつひとつは、電離光を発生させる量ははるかに少なかっただろうが、その数の重みによって、再電離のエポックを後押しした可能性がある。

幅400万光年の虫眼鏡

初期宇宙で何かを見ようとするのは非常に難しい。大質量銀河はまれなので、見つけるのは難しい。小さな銀河はよく見られるが、非常に暗いため、質の高いデータを得るのは難しい(そしてコストがかかる)。

そこで、パンドラ星団と呼ばれる巨大な銀河群を拡大鏡として使ってみた。銀河団の巨大な質量は空間と時間を歪め、その背後にある天体からの光を増幅する。

UNCOVERプログラムの一環として、私たちはジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を使って、パンドラ星団の背後にある暗い銀河の赤外線画像を拡大して見た。

まず、さまざまな銀河を観察し、その中から特に遠い(つまり古い)銀河をいくつか選んで詳しく調べた。(このような詳細な検査には費用がかかるため、8つの銀河しか詳しく調べることができなかった)。

水素の明るい輝き

私たちは、当時の天の川銀河の0.5%程度の明るさの天体をいくつか選び、電離した水素の輝きがあるかどうかを調査した。これらの銀河は非常に暗く、パンドラ星団の拡大効果によって初めて見えるようになった。

私たちの観測によって、これらの小さな銀河が宇宙のごく初期に存在していたことが確認された。さらに、私たちが “普通”と考える約4倍の電離光を発していることも確認された。これは、初期の星がどのように形成されたかという我々の理解に基づいて予測された値の最高値である。

これらの銀河は非常に多くの電離光を発生させたので、宇宙が再電離するために必要だったのは、そのごく一部だけだったはずだ。

以前は、電離光子が再電離の主要な原因であるとするならば、全電離光子の20%程度がこのような小さな銀河から逃げる必要があると考えられていた。我々の新しいデータは、5%でも十分であることを示唆している。これは、現代の銀河から逃げていく電離光子の割合とほぼ同じである。

つまり、このような小さな銀河が、再電離のエポックにおいて非常に大きな役割を果たした可能性があるのだ。しかし、私たちの研究は8つの銀河に基づくもので、すべて一つの視線に近いものである。この結果を確認するためには、空のさまざまな場所を調べる必要がある。

私たちは、宇宙の他の場所にある大きな銀河団を対象とした新たな観測を計画しており、さらに拡大された暗い銀河を見つけて検証する予定である。すべてがうまくいけば、数年後には何らかの答えが得られるだろう。


本記事は、Themiya Nanayakkara氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「What ended the ‘dark ages’ in the early universe? New Webb data just brought us closer to solving the mystery」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。



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