宇宙最初のスターバーストはどれほど巨大だったのか？新研究が迫る

宇宙最初の星を探して

天文学者たちは数十年にわたり、望遠鏡を宇宙の時間のさらに深くへと押し進めてきた。そして改良のたびに、前回よりも奇妙な何かが見つかってきた。しかし、一つの標的は頑なに姿を現そうとしない。宇宙に最初の光をもたらした第一世代の星、Population III星である。

これらの天体は、水素とヘリウム以外に何も含まないガスから凝縮して生まれたと考えられている。天文学者がまとめて「金属」と呼ぶ、この二つより重い元素は一切含まれていない。その pristine な組成は、今日輝いているどの天体とも大きく異なる振る舞いを彼らにもたらしたはずだ。支配的な理論では、彼らは異常に大きく成長し、その生涯を激しく終えたとされる。

テキサス大学オースティン校のCosmic Frontier Centerに所属するTae Bong Jeonによる新しいプレプリントは、一見単純な問いに取り組んでいる。それらの原始スターバーストはどれほど大質量になり得たのか、そしてジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡がそれを検出できる現実的な可能性はあるのか。論文はarXivで公開されており、まだ査読を完了していない。

Population III星がこれほど捉えにくい理由

純粋なガス、巨大な星

Population III星は、その欠如によって定義される。水素とヘリウムのみから形成され、後の世代の星が死にゆく先達から受け継いだ重元素に一切アクセスできなかった。今日の宇宙では、それらの重元素は効率的な放射体として働き、ガス雲が熱を放出して多数の小さな星へと分裂することを可能にする。それらがなければ、最初期の雲は分裂しにくく、代わりにごく少数のはるかに大質量の天体が好まれただろう。

それが理論である。観測はより複雑であることが証明されている。JWSTはこれらの純粋なスターバーストの兆候を明らかにした。しかも予想外なことに、望遠鏡打ち上げ前に書かれたモデルが予想していたよりもはるかに遅い時代にである。宇宙再電離期の終わり近くにある一部の銀河は、これらの金属を含まないスターバーストに由来するように見える特徴を示すが、それらは予測より数億年遅れて現れている。

初期のガス雲が逃れなければならない二つの罠

Population IIIスターバーストがJWSTが捉えているものと一致するほど長く持続するには、それを形成したガス雲は狭き門を通り抜けなければならなかった。二つの存亡に関わる罠を避ける必要があった。

• 早すぎる崩壊：水素とヘリウムの雲が内側へ落ち込み、早すぎる段階で点火してはならなかった。
• 金属汚染：雲は、近くの超新星によってまき散らされた重元素に汚染されることを逃れなければならなかった。

これらの制約はそれぞれ、初期宇宙の混沌とした環境では満たすのが難しく、両者が相まって、最初の星が単純なモデルが示唆するよりもはるかに長くかかって現れた可能性がある理由を説明するのに役立つ。

なぜ冷たいガスがすべてを左右するのか

唯一の冷却剤としての分子状水素

原始宇宙では、ガスは自らの重力で崩壊するために冷える方法を見つけなければならなかった。雲が十分に高密度になると熱くなり、その熱が雲を再び外側へ膨張させてしまう。利用可能な唯一の冷却剤は分子状水素（H2）だった。この分子は最初の星の形成の中心にあった。暗黒物質が核融合を最終的に点火させるのに十分な量のガスを十分近くに引き寄せることを可能にしたのである。

ここで時間軸が厄介になる。宇宙史の後期には、分子状水素はより豊富だった。理論的には、それはPopulation III星形成をより難しくするのではなく、より容易にするはずだった。そしてそれらの星は短命であるため、JWSTが現在見つけている時代よりずっと前に燃え尽きていたはずだ。

超新星による汚染を避ける

二つ目の罠は化学的なものである。大質量星が死ぬと、重元素を周囲にまき散らす。そのような爆発にあまりに近づいて漂う原始雲は金属で濃縮され、その後の星形成はもはやPopulation IIIとはみなされなくなる。したがって、最初期の雲を近隣の超新星残骸から隔離しておくことは、些細な細部ではなく要件である。

遅延メカニズムとしてのライマン・ヴェルナー放射

問題が分子状水素の多すぎることなら、可能な解決策の一つはその一部を取り除くことである。そして宇宙はそのメカニズムを提供している。ライマン・ヴェルナー（LW）放射は、軟紫外線光子からなり、接触した分子状水素を解離させ、原子状水素へと分解する。

LW放射は領域からH2を剥ぎ取ることで、それらの雲が依存するまさにその冷却剤を取り除く。それにより冷却過程が遅くなり、ひいては重力崩壊が先延ばしにされる。事実上、十分に強いライマン・ヴェルナー光子の背景は原始ガスを宙吊り状態に保ち、Population III星形成をより遅い時代へと押しやり、理論的予測をJWSTが実際に観測しているものとより近く一致させる可能性がある。

JWSTが確認できることとできないこと

JWSTの強みは宇宙の夜明けへと遡って見通す能力にあるが、これまでに集められた証拠は依然として間接的である。天文学者たちは個々のPopulation III星を見ているのではなく、宇宙再電離期の終わり近くの銀河にある特徴を読み取り、純粋なスターバーストがそれらを説明できるかどうかを問うている。その診断を確定するには、他の説明——金属に富む恒星集団、異常な初期質量分布、あるいは予想外のダストの挙動——を排除する必要がある。

Jeonの分析は、物理的限界という観点から問いを組み立てている。冷却の制約、放射環境、汚染のリスクを踏まえると、第一世代のスターバーストはもっともらしくどれほど大きく成長し得るのか。明確な上限——あるいはその不在——は、観測者に具体的な標的と、競合するモデルを実データに対して検証する方法を与えるだろう。

今後の道のり

Population III星の探索は、理論と観測機器能力の交差点に位置している。ライマン・ヴェルナー放射が初期の星形成をどのように形作るかについてのより良いモデルは、天文学者にどこを探すべきか、そしていつ最初のスターバーストが現れるべきだったかを教え得る。一方で、より深いJWST観測は、あらゆる実行可能なモデルが耐えなければならないデータ点を加え続けている。

今のところ、宇宙最初の星は確認された目撃ではなく予測にとどまっている。しかし、新しい研究ごとに窓は狭まっている。そして、それらの巨大で金属を含まないスターバーストが数億年後に検出可能な痕跡を残した可能性は、この分野を研究し続けさせるまさにその種の難問である。

この記事はUniverse Todayの報道に基づいています。元の記事を読む。