ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）が科学観測を開始して以来、天文学者たちは130億年以上前に存在していた銀河を観測してきた。この期間は「宇宙の暗黒時代」として知られ、ビッグバンから2億年から10億年の間に最初の星と銀河が形成された時期である。残念ながら、この時期からの光は、ビッグバンによって引き起こされた宇宙マイクロ波背景放射（CMB）と恒星放射による中性水素の再電離によって放出された光子に限られていた。
ハッブル宇宙望遠鏡やスピッツァー宇宙望遠鏡といった以前の観測機器は、赤外線（IR）感度が限られていたため、この期間の銀河を観測することができなかった。しかし、ウェッブの先進的な赤外線機器、コロノグラフ、熱シールドのおかげで、ついに暗黒時代の幕が開かれようとしている。最近の研究では、国際的な科学者チームがビッグバン後わずか数億年で存在していた銀河に関するウェッブのアーカイブデータを検索し、ウェッブの撮像能力の限界に挑戦した。
この研究は、イタリア国立天体物理学研究所ローマ天文台（INAF-OAR）の研究者Marco Castellano氏が主導した。INAF、国立光学赤外線天文学研究所（NOIRLab）、アンダルシア天体物理学研究所（IAA-CSIC）、ハーバード・スミソニアン天体物理学センター（CfA）、宇宙望遠鏡科学研究所（STScI）、NASAゴダード宇宙飛行センター、および複数の大学や研究所からの同僚が参加した。
ウェッブが運用を開始して以来、130億年以上前に存在していた銀河を観測してきた。これらの初期銀河の一部の画像は、ウェッブ初期公開観測（ERO）に含まれており、後に初期の活動銀河核（別名クエーサー）であることがわかった「リトル・レッド・ドット」が特徴だった。ウェッブ以前は、天文学者たちはハッブルとスピッツァーを使用して赤方偏移約10（ビッグバン後約5億年）までの銀河を解像できたが、感度ははるかに低かった。
しかしCastellano氏がUniverse Todayへのメールで述べたように、ウェッブの高い感度によって銀河形成と進化の初期段階に対する新たな窓が開かれた：
「JWSTは赤方偏移z-14.2（現在の記録保持者で、ビッグバン後約3億年に相当）までの数十の天体を発見しました。JWSTはそれらの物理的特性の詳細な研究を可能にし、それにはガスの化学組成も含まれます。数多くの興味深い結果の中で、JWSTによって得られた2つの結果が特筆すべきだと思います：ビッグバン後5億〜3億年の明るい銀河の多さと、最初の10億年間の暗い活動銀河核（AGN）の多さです」
この期間中に発見された銀河の数とその明るさは、確立された宇宙論モデルとの「矛盾」があったため、天文学者たちを驚かせた。この期間に観測された超大質量ブラックホール（SMBH）についても同様で、宇宙論モデルが予測したよりも大きかった。どちらの場合も、これらのモデルではビッグバン以降に多くの明るい銀河が形成されたり、SMBHがこれほど大きくなるには十分な時間がなかったことが示唆されている。Castellano氏によると、前者の発見が彼の研究の焦点だという：
「最初の観測以来、JWSTは理論モデルや以前の観測に基づく予測よりもはるかに明るいUV放射を持つz>9の多数の銀河を発見しています。過去3年間で、この明るい銀河の「過剰」を説明するためにいくつかの理論的試みがなされてきました。例えば、非常に低いダスト減衰、高い星形成効率、金属欠乏星からの放射の寄与、または超大質量ブラックホールへの降着などによるものとされています。これまでに探査された赤方偏移よりも高い赤方偏移の銀河を探すことは、これらの理論モデルの予測を検証するために不可欠です」
この研究では、チームはASTRODEEP-JWSTカタログからのJWSTとHSTの測光データを参照し、それを構成する7つの調査を分析した。これには、宇宙進化初期リリース科学調査（CEERS）、Great Observatories Origins Deep Survey-North（GOODS-N）とGOODS-Southが観測したフィールド、First Reionization Epoch Spectroscopically Complete Observations（FRESCO）、Next Generation Deep Extragalactic Exploratory Public（NGDEEP）キャンペーン、CANDELS、GLASS-JWSTなどが含まれる。
前述のように、チームはこれらの測光データソースから赤方偏移値z = 15-30の銀河を探した。選ばれた候補は、スペクトルエネルギー分布の形状とライマンブレイクに基づいて選択された。この後者の技術では、これらの銀河からの放射はそれらを取り巻く中性ガスによってほぼ完全に吸収されるため、近赤外線と紫外線（UV）フィルターを通して高赤方偏移銀河を観測する。Castellano氏が説明したように、これは多くの課題をもたらした：
「一方では、天体がより暗くなり、より少ない数の測光バンドで検出されるため、スペクトルの形状に関する制約が減少します。一方、低赤方偏移の銀河による汚染リスクが高くなることが明らかになっています。測光情報を使って希少な遠方銀河を探す場合、サンプル汚染は常に問題ですが、z>15のサンプルでは、選択基準に入る特徴付けの乏しい新しい種類の低/中間赤方偏移天体によってこの問題が悪化します。
これらは典型的には、その恒星光がダストによって極端に減衰されているか、古い恒星集団によって支配されているため、2ミクロンより長い波長で放射が急激に増加する非常に「赤い」ためにz>15銀河のスペクトルエネルギー分布を模倣する天体です。いくつかの既知のケースでは、赤い連続放射と観測されるフィルターのいくつかでのフラックスを増強する極めて強い放射線の組み合わせにより、それらの測光点はz>15銀河のものと同一です」
現在、天文学者たちはz = 15以上の赤方偏移値を持つ候補銀河をわずかしか特定できていない。これは、これらの銀河のUVレスト放射がウェッブの近赤外線カメラ（NIRCam）のスペクトル範囲内にあるにもかかわらずである。それでも、z = 15の壁を破ることは、最初の星と銀河が形成された初期宇宙における銀河進化について学ぶために不可欠である。この情報は、理論モデルと観測の間の現在の矛盾を解決するのに役立つだろう。
全体として、チームはASTRODEEP-JWSTカタログから、色がz = 15〜20の赤方偏移と互換性のある10の天体を選択した。しかし、Castellano氏が説明したように、これらのソースの分析により、これらの赤方偏移の天体を研究することは非常に困難であることが再び証明された。「それらは信頼できる高赤方偏移候補であるが、同時に低赤方偏移の希少な銀河集団の予想される色とも互換性がある」と彼は述べた。「特に、上述したように、代わりに強い放射線を持つダスティな銀河や、古く受動的に進化する銀河である可能性がある。」
例えば、これらの候補の1つはすでにCANDELS-Area Prism Epoch of Reionization Survey（CAPERS）の一環としてウェッブの近赤外線分光計（NIRSpec）で観測されていた。この銀河は高い星形成率を持ち、赤方偏移z = 6.56（約132億年前）だが、ダストによって高度に減衰されて赤く見える。しかし、彼らの研究に残っている候補は潜在的なz〜15-20の候補として、さらなる研究に値する：
「もしそれらがすべてz>15の銀河だと仮定すると、その意味は非常に興味深いものです。その数は、ビッグバン後2〜3億年に明るい銀河が理論モデルによって予測されるよりも多いことを示唆します。実際、これらの天体のごく一部でも分光学的に確認されれば、理論的予測との大きな緊張関係が示されることになるでしょう」
さらに、チームの研究は、約130億年前に存在していたダスティな銀河の研究にも影響を与える可能性がある。非常に高い赤方偏移を持つ銀河と同様に、z = 4〜7（125億〜133億年前）の銀河はあまり理解されていない。これらは低質量のダスティな星形成銀河と低質量の受動的銀河の両方で構成されており、この時代の明るいUVと低ダスト減衰銀河と比較すると希少である。これらの候補のさらなる研究により、宇宙史のこの初期段階についてさらに多くのことが明らかになる可能性がある。
その間、Castellano氏とそのチームは、z = 15以上の赤方偏移値を持つ可能性のある銀河の追跡調査の必要性を強調している：
「z>15銀河の潜在的候補として選択された天体の分光学的追跡調査を行うことが極めて重要になるでしょう。それらを本物の高赤方偏移銀河として確認することは、銀河進化の最初の段階についての理解に大きな影響を与えるでしょう。代わりに、それらがすべて低赤方偏移の『侵入者』であることがわかれば、JWSTのおかげで初めて発見し調査できる中間赤方偏移のダスティな銀河や受動的銀河といったあまり知られていない種族について理解することができるでしょう…私たちはこれらの非常に遠方の銀河を探すためにJWSTをどう活用するかを理解し始めています。挑戦的ではありますが、ビッグバン後わずか100〜200百万年の天体を見つけることはJWSTの能力の範囲内です」
彼らの論文のプレプリントは最近オンラインで公開され、学術誌Astronomy & Astrophysicsへの掲載に向けて審査中である。
