宇宙の形成期に生まれた銀河をめぐる貴重な手がかり
ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を使う天文学者たちは、初期宇宙でこれまでに見つかった中で最も化学的に原始的な銀河だと説明する天体を特定した。この天体はLAP1-Bとして知られ、ビッグバンの約8億年後、天文学者が再電離期と呼ぶ時代に存在していた。この時期は、宇宙の長い「暗黒時代」から、最初の世代の星や銀河によって徐々に明るくなっていく宇宙への移行を示している。
この発見が重要なのは、化学組成が宇宙史の記録だからだ。ビッグバン直後の宇宙は、ほとんどが水素とヘリウムでできていた。炭素や酸素のような重い元素は、その後に恒星内部で作られ、超新星爆発によって拡散された。したがって、金属量が極めて少ない銀河は、恒星の世代が周囲を豊かにするまでにあまり時間が経っていない、始まりにより近い発達段階を研究者に示す窓となる。
提供されたソース資料によれば、金沢大学の中島公彦准教授が率いる国際研究チームは、ウェッブの分光器と重力レンズによる自然の増光を用いてLAP1-Bを解析した。この研究は5月13日にNatureに掲載された。チームは、LAP1-Bが現在までに観測された初期宇宙で最も金属量の少ない銀河だと結論づけた。
「金属が少ない」ことが重要な手がかりである理由
天文学でいう「金属」は、水素とヘリウムより重いほぼすべての元素を指す。これらの元素は、惑星や生命に関わる化学など、後の宇宙の複雑さに不可欠だ。しかし、宇宙初期にはそれらはほとんど存在しなかった。だからこそ、金属量の少ない銀河は非常に価値が高い。そこには、しばしば第一世代星と呼ばれる第III世代星（Population III stars）が形成された環境に似た条件が残されている可能性がある。
研究者たちは長年、原始的な宇宙から恒星の核合成によって形作られた宇宙への移行を直接観測したいと望んできた。LAP1-Bだけで第III世代星の検出が確認されるわけではないが、その境界付近にある強力な観測上の足場を提供している。銀河の化学的富化が低いほど、天文学者は、最古の星の子孫を含む系や、その痕跡をかすかに残す系を捉えられる可能性が高くなる。
ソース文は、ウェッブの赤外線機器こそがこの研究を可能にしていると強調している。非常に遠い銀河からの光は、宇宙の膨張に伴って引き伸ばされ、あるいは赤方偏移する。その光が地球に届く頃には、かつて可視だった波長が、旧世代の観測装置の能力を超えるところまでずれていることがある。ウェッブはその問題に対応するために設計されており、その分光能力によって研究者は検出から物理的な性質の把握へと進むことができる。
ウェッブと重力レンズがどのように協力したか
LAP1-Bは超微光の銀河と表現されており、ウェッブのように高性能な望遠鏡でも研究は難しい。そこで研究チームは重力レンズを利用し、手前にある銀河団の質量でより遠方の対象からの光を増幅した。この手法は、観測を宇宙時間のさらに深い領域へ押し進める最も効果的な方法の一つになっている。
このレンズ効果と赤外分光の組み合わせによって、ウェッブは単なる高解像度カメラ以上の存在になりつつある。最初期の銀河の化学的・構造的進化を再構築するための道具になっているのだ。LAP1-Bの場合、それは「興味深い暗い光源」から、組成と進化段階についてより確かな判断へと進むのに十分な情報を得ることを意味した。
より広い意味では、天文学者たちはいま、初期宇宙の研究を年齢や明るさだけでなく化学組成でも分類できる段階に入りつつあるのかもしれない。これは大きな変化だ。原始的な銀河と、やや進化した近傍の銀河を比較し、最初期の銀河生態系が時間とともにどう変化したかを、より詳細な系列として描ける可能性が開ける。
初期宇宙研究にとって何を意味するか
LAP1-Bの重要性は、単に古いことだけではない。ウェッブはすでに宇宙史の最初の10億年以内にある多くの銀河を観測している。ここでより特徴的なのは、この銀河がその時代にしても異例なほど重元素に乏しいように見える点だ。これは、最初の星々が、後の世代の星や惑星、そして最終的には生物学に必要な材料を宇宙へ供給した仕組みに関する理論にとって、際立った対象となる。
ソース文は、天文学者たちが数十年にわたり最初の星を見つけるか、少なくともそれらが宇宙を豊かにし始めた瞬間を目撃したいと願ってきたと述べている。LAP1-Bのような発見は、その探求を終わらせるものではないが、距離を縮める。化学的に原始的な系はひとつひとつ、ほぼ原初的な条件下での星形成、フィードバック、銀河形成のモデルを検証する追加のケースになる。
また、ウェッブが何を「観測可能な天文学」と見なすかを急速に変えつつあることも示している。打ち上げ前、再電離期はしばしば、モデルと部分的な観測から推定される、もどかしく遠い時代として語られていた。ウェッブはその時代を、銀河の化学、構造、環境をより高精度に測定できる、より実証的な分野へと変えつつある。
将来の観測でLAP1-Bのような系がさらに見つかれば、天文学者は初期銀河がどこにあったかだけでなく、それぞれの進化経路がどれほど異なっていたかも描けるようになるだろう。現時点では、LAP1-Bは、後に続くすべての材料を作り始めたばかりの若い宇宙からの、異例なほど明瞭な道標である。
この発見が際立つ理由
- LAP1-Bはビッグバンの約8億年後に存在していた。
- この銀河は、これまでに観測された初期宇宙の銀河の中で最も金属量が少ないとされている。
- この結果は、ジェームズ・ウェッブの分光観測と重力レンズの両方に依拠している。
- この発見により、恒星による化学的富化の黎明期に近い条件を、天文学者がより近くから見ることができる。
この記事は Live Science の報道に基づいています。元記事を読む。
Originally published on livescience.com