これまでに観測された中で最も古い銀河の誕生が目撃されたようだ。『Science』誌に掲載された新たな研究によると、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST)の観測により、ビッグバンからわずか4億年から6年後という宇宙の初期に、水素とヘリウムの原始雲から誕生したと見られる3つの幼い銀河が検出された可能性があると言う。
ガスの海に浮かぶ、きらめく島の発見
デンマークのCosmic Dawn Centerが率いる研究チームは、JWSTのデータを使って、ビッグバンからわずか4億年から6億年後に活発に形成されたと思われる3つの銀河を突き止めた。これは、宇宙が中性水素の不透明な雲に覆われ、最初の星や銀河によってゆっくりと加熱・電離された「電離の時代」の中に位置づけられる。
このプロセスによって、宇宙はビッグバンからおよそ10億年後を境に透明になり、今日の天文学者の目に見えるようになった。研究チームがJWSTによって得られたデータを参照したところ、これらの銀河は、ほとんど水素とヘリウムだけで構成された異常な量の高密度ガスに囲まれていることが観測された。これらの発見は、初期銀河の形成に関する貴重な情報をすでに明らかにしており、JWSTがそのミッション目標をいかに超えているかを示している。
この研究は、NASAハッブルフェローで天体物理学の助教授である Kasper E. Heintz氏と、Niels Bohr InstituteのCosmic Dawn Center（DAWN）の同僚が主導した。チューリッヒ工科大学（ETH Zurich）、マサチューセッツ工科大学（MIT）カブリ天体物理学宇宙研究所（Kavli Institute for Astrophysics and Space Research）、宇宙望遠鏡科学研究所（STScI）、天文学研究大学協会（Association of Universities for Research in Astronomy：AURA）、欧州宇宙機関（ESA）、NSFの国立光学赤外線天文学研究所（NOIRLab）、および複数の大学の研究者が参加した。
銀河形成のモデルによれば、最初の銀河は、最初の原始銀河ハローに中性で原始的なガスが降り注いだ結果生まれたと考えられている。しかし、宇宙論的な最初期の観測が難しいため、銀河における中性原子状水素の存在量は不明のままであった。「これらの銀河は、中性で不透明なガスの海に浮かぶ、きらめく島のようなものです。ウェッブ望遠鏡がなければ、これらの非常に初期の銀河を観測することはできず、その形成についても多くを学ぶことはできなかったでしょう」と、Heintz氏は述べている。
この研究では、研究者たちはJWSTを使用して、ビッグバンから6億年以内に遡る既知の12の初期銀河を観察した。当時、現在138億年とされる宇宙は、その3％程度の年齢であった。チームは特に、当時の宇宙を満たしていた電気的に中性な水素ガスの密集した雲によって放射が吸収されている銀河を探した。このような吸収は、銀河が新しい恒星を形成するためにそのガスを活用していることを示すものである。
JWSTの画像では銀河は赤い塊にしか見えなかったので、研究チームはJWSTの近赤外線カメラ（NIRCam）が宇宙進化早期放出科学（CEERS）サーベイで得たデータも利用し、早期放出科学（ERS）プログラムを通じて共有した。その結果、これらの銀河からの光は、大量の中性水素ガスに吸収されていることが明らかになった。そして、JWSTのデータを星形成モデルと照合したところ、これらの銀河は主に若い星によって占められていることが明らかになった。共著者であるDAWNのDarach Watson教授は「これは、我々が中性水素ガスが銀河に組み込まれているのを目撃していることを示唆しています。そのガスは冷却され、凝縮し、新しい恒星を形成するでしょう」と、述べている。
この初期の恒星形成は、宇宙をいわゆる宇宙暗黒時代から再電離期へと導くために重要であった。初期の宇宙の密集したガス雲から恒星や銀河が出現するにつれて、その恒星放射は周囲のガスをイオン化し、徐々に不透明な水素の濃厚なスープから、現在見られる透明な宇宙へと変容させた。
JWSTはこれまでにもこの時代の古代銀河を観測してきたが、今回の観測は「その誕生そのもの、すなわち宇宙で最初の恒星系の構築を目撃する」初めてのものであると、Heintz氏はコペンハーゲン大学の声明で述べている。
これらの発見がJWSTによる後続の観測で確認されれば、天文学者たちはかつて宇宙を覆っていたガス雲の性質や、最初の銀河がそれをどうやって明らかにしたのかという重要な問いに答えることができるようになるかもしれない。
論文
参考文献
- University of Copenhagen: Birth of universe’s earliest galaxies observed for first time
- NASA: Galaxies Actively Forming in Early Universe Caught Feeding on Cold Gas
- Universe Today: Galaxies in the Early Universe Preferred their Food Cold
研究の要旨
水素を主成分とする始原的な中性原子ガスは、銀河における星形成の原料である。しかし、宇宙初期の銀河における中性原子水素（H i）の量に関する直接的な制約はほとんどない。私たちは、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）による遠方銀河の近赤外線分光を赤方偏移Ȩで解析した。その結果、12個の銀河の中から、H iによる強い減衰ライマンα吸収を示す銀河を3個発見した。これらの銀河は分光赤方偏移が8.8, 10.2, 11.4であり、ビッグバンから4億年から6億年後に相当する。これらの銀河のH i柱密度は↪Sm_2222 cm-2で、完全に中性の銀河間物質として予想されるよりも一桁高く、若い星形成銀河のガスリッチな集団を構成している。
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