なぜ初期宇宙はこれほど奇妙に見えたのか
天文学者たちが何十億光年もの彼方を見渡すとき、彼らは時間を遡って見ているのであり、そこで見えるものは私たちの宇宙近傍を満たす整った渦巻銀河や楕円銀河とは一致しない。初期宇宙の銀河、そしてその中で燃える星々は、明らかに奇妙に見え、研究者たちは長い間その理由を知りたいと考えてきた。ユタ大学の研究チームは、珍しい角度からこの問題に取り組んでいる。ハッブルが検出できる最も暗く最も遠い天体だけに焦点を当てるのではなく、古代の星々の代役として機能する近傍の星々を研究しているのだ。
宇宙で最初の星々は、ビッグバンからおよそ1億年後に形成され始めた。彼らは短命で激しく生き、若くして死に、自らが作り出した元素を宇宙空間にまき散らし、その物質は後の世代の星々に再利用された。その過程で、彼らは自らを宿す銀河を再形成し、天文学者たちは今なおそのフィードバック過程を詳細にモデル化しようと取り組んでいる。
遠い過去への近道
ユタ大学の物理学助教で天文学者のグレース・テルフォード氏に率いられたチームは、Treasury of Extremely Metal-Poor O Stars、略してTEMPOSと呼ばれるサーベイを実施した。130億年以上前に輝いた星々のかすかな光を捉えようとするのではなく、このサーベイは、古代の対応する星々と重要な物理的特性を共有する、比較的近傍の銀河にある星々を調べた。
観測はそれらの星々から放たれる紫外線に依存しており、ハッブル宇宙望遠鏡に搭載されたCosmic Origins Spectrographで検出された。紫外線放射は最も高温で最も巨大な星々への重要な窓を提供するが、そのほとんどは地球の大気によって遮られてしまう。だからこそ、大気の上というハッブルの視点が、この種の研究にとって非常に重要なのだ。
古代の星々の指紋を読み解く
天文学において、星を金属欠乏と呼ぶことは、日常的な意味で鉄やニッケルを欠いているという意味ではない。それは、その星がヘリウムより重いあらゆる元素を微量しか含んでいないことを意味する。誕生間もない宇宙はほぼ完全に水素とヘリウムで構成されていたため、最初の星々には扱える重い元素が事実上存在しなかった。同様に低い金属含有量を持つ近傍の星々を特定することで、テルフォード氏のチームは、そうした条件下での物理を詳細に研究できるデータセットを組み立てている。これは、観測可能な宇宙の端にある天体に対して直接行うことは不可能なことだ。
巨大な星々の並外れた影響力
TEMPOSが対象とする星々は巨大であり、その特性は銀河がどのように進化するかに極めて大きく影響する。テルフォード氏は、このような星々は極めて高温で明るく燃え、燃料を急速に消費し、超新星爆発として短い生涯を終え、周囲のガスに多大なエネルギーと物質を放出すると説明する。その過程を通じて、彼らは周囲のガスを加熱し、どれだけのガスが冷えて収縮し新しい星を形成できるかを調整し、事実上、母銀河の進化の道筋を支配している。
この調整的な役割は、初期宇宙が私たちの住む宇宙とこれほど異なって見えた理由の一つである。巨大な星々が一般的であると、彼らは連続する波となって星形成を抑制したり誘発したりし、銀河に珍しい形、色、恒星集団を残すことがある。したがって、最初の世代の星々がどのように振る舞ったかを理解することは、最初の銀河がどのように組み立てられたかを理解することに直結する。
O型巨星からウォルフ・ライエ星の風へ
O型星は宇宙で最大かつ最も明るい星々の一つであり、恒星の基準からすれば短命である。その一部は、存在の終わりに近づくにつれてウォルフ・ライエ星となり、強力な恒星風を通じて膨大な量の質量を宇宙空間に放出する。これらの風は星の外層を剥ぎ取り、高温の内部領域を露出させる。連星系を含むウォルフ・ライエ星系の観測は、巨大な星々の最終章を形作り、彼らが残す化学的濃縮を形成する激しい質量放出を天文学者が理解する助けとなる。
ハッブルの長い時間の遡行
可能な限り宇宙時間を遡って見ることは、1995年の最初の深宇宙探査以来、ハッブル宇宙望遠鏡の中心的な使命であった。それらの初期の画像においてさえ、小さく遠い銀河は奇妙に見え、私たちの近くで見る銀河とは完全には一致しなかった。その不一致は、今なお研究を駆り立てる鶏と卵の問いを提起した。星が先に形成されたのか、それとも銀河が先だったのか。
証拠は星が先だったことを指し示している。最初の星々はおそらく怪物であり、誕生間もない宇宙に存在する広大な水素の貯蔵庫から鍛え上げられ、太陽の10倍以上の質量を持っていた。その大きさと光度のため、彼らは猛烈に生き、急速に死に、宇宙に重い元素を蒔き、後に続く銀河の舞台を整えた。この最初の世代として知られるPopulation III星は、ビッグバンから数億年後に形成され、あまりに昔に消え去ったため、今日では事実上見ることができない。
これが銀河進化にとって重要な理由
近傍の金属欠乏O型星を特定し、その紫外線スペクトルを研究することで、TEMPOSチームは一種の参照ライブラリー、つまり測定された振る舞いが最初の恒星世代のモデルに情報を与えることのできる近傍天体の集合を組み立てている。類似の星々から構築されたモデルは、天文学者に、決して直接観測できない星々について推論する手段を与える。
- Population III星のより良いモデル：近傍の金属欠乏O型星は、最初の恒星世代に拡張できる質量、温度、質量放出率の測定可能な基準を提供する。
- 銀河の組み立てのより明確な像：巨大な星々は星形成に利用できるガスを調整するため、その振る舞いは銀河がいつどこで新しい星を形成するかを形作る。
- 遠方観測の解釈の改善：ハッブルとその後継機が遠方銀河の光を捉えるとき、TEMPOSに情報を得たモデルが、何が見られているかの説明を助ける。
- 宇宙時間をまたぐ架け橋：このサーベイは、今日詳細に研究できる星々と、宇宙最初の銀河を形作った到達不可能な星々とを結びつける。
今後の道
TEMPOSのデータセットは、より深い天体物理学的研究に値する星々を選び出すために使われており、新たな目標ごとに、巨大で金属欠乏の星々がどのように振る舞うかについての、ますます細やかな像に詳細が加わっている。この研究は遠い過去への好奇心を満たすだけでなく、ハッブルのアーカイブから将来の観測所に至るまで、あらゆる新しい深宇宙画像を解釈するために天文学者が用いる理論的ツールを研ぎ澄ます。
初期宇宙は私たちの想像の中で奇妙な場所であり続けている。巨大で短命な星々からなる宇宙であり、その爆発は若い銀河を照らし、周囲のガスを濃縮した。テルフォード氏と同僚たちは、その奇妙さを読み解けるものにしようと、星ごとに、最も近くにある類似天体を用いて、天の川銀河が形作られるはるか前に終わった宇宙史の一章を再構築しようと取り組んでいる。
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。
Originally published on universetoday.com