最近、天文学者の国際チームが、私たちの宇宙がわずか 18 億歳だった頃にさかのぼります。もちろん、彼らは直接行ったわけではありませんが、次善の策に落ち着きました。それは、アリゾナ州南東部のグラハム山の頂上にある大型双眼鏡天文台で、遠く離れた宇宙の 1 つの小さなパッチから 17 時間分の星の光を集めることでした。このような時計を巻き戻す仮想の旅は、天文学では日常的なことです。光の有限の速度により、宇宙の奥深くを見るほど、時間を遡って見ることができます。また、世界中の多くの天文台は、太古の空からかすかな光子を集めることができます。しかし、この特定の宇宙の旅は、C1-23152.この卵形の星の集まりは非常に大きいため、その起源に関する従来のモデルを無視しています。簡単に言えば、C1-23152 は大きすぎて初期の宇宙に収まらないようです.
最初の銀河は比較的小さく、小さな構成要素が少しずつ集まって、何十億年もの成長を経て巨大なサイズになったと考えられています。推定 2000 億個の太陽質量星を誇る C1-23152 は、このシナリオのスケールをひっくり返します。そして、それは一人ではありません。過去 10 年間で、天文学者は非常に古い、非常に大きな銀河の巨大生物をいくつか発見しました。たとえば、2017 年には、ビッグバンから 8 億年も経たないうちに、1 年間に 2,900 太陽質量の星を生み出すことができる 1 対の非常に大きな銀河が存在することが判明しました。 2019 年には、39 個の巨大な銀河のファミリー (それぞれがおそらく年間 200 個の太陽質量星を製造する星工場) が、誕生から 20 億年以内に宇宙を疾走しているのが発見されました。
このように増え続ける由緒ある巨大な天体は、銀河形成の伝統的なモデルを崩壊させる恐れがあるのでしょうか? 「ここでのコツは、いくつ持っていますか?」ドイツのハイデルベルクにあるマックス・プランク天文学研究所の天文学者であるマルセル・ニールマンは、この新しい研究には関与していないと述べています。一握りは問題ではありません。宇宙は十分に大きいので、時々奇妙なことが起こります。しかし、将来、ますます高度化する望遠鏡がそれらをはるかに多く発見することができれば、宇宙の幼年期からのこれらの巨大な銀河は、宇宙に対する私たちの理解を壊す可能性があります.
遠く離れた銀河の遠い昔
広く受け入れられている銀河形成のモデルとなったものは、主に、天の川の近くで見ることができる局所宇宙の観察を再現する宇宙進化のシミュレーションから収集されています.
ビッグバンの後、宇宙は膨張し、あらゆる方向にかなり均等に伸びました.しかし、ニールマンによれば、「宇宙の構造において密度のわずかな変化」が見られます。これらの変化は、電磁放射をほとんど放出しない物質である暗黒物質の塊の本拠地です。そのため、暗黒物質はまだ直接検出されていませんが、銀河の観測により、この目に見えない質量が独自の引力を生み出していることが示されています。つまり、これらの暗黒物質の塊は、「通常の」物質 (人間が検出して相互作用できるもの) を引き付けます。そのほとんどはガスです。ガスはこれらの重力井戸に転がり込み、一緒に押しつぶされて星の形成を引き起こします。より多くの物質が、天文学者によって暗黒物質の「ハロー」と呼ばれる、これらの拡大し続ける井戸に転落し続け、宇宙の 138 億年の寿命にわたって、ますます大きな構造を徐々に形成しています。イタリア国立天体物理学研究所の天文学者であり、C1-23152 の最近の観測結果を報告する研究の筆頭著者である Paolo Saracco は、このプロセスが多かれ少なかれ、今日私たちが見ている銀河の分布を作り出しているはずだと述べています。
それが、古代の大質量銀河が問題である理由です。カリフォルニア州立工科大学ポモナ校の天文学者コーラル・ウィーラーは、「銀河形成に関する現在の理解は、当時知っていた銀河に基づいています」と述べています。これらの銀河には、非常に古い、小さい、または大きい銀河は含まれていません。ますます強力な望遠鏡で時間をさかのぼって見ると、これらの明らかな外れ値が明らかになり始めました。異常な実体の数が増えるにつれて、天文学者はモデルを拡大してスペースを確保する必要があるのか、それともモデルが負担で座屈して壊れてしまうのではないかと考え始めました.
Astrophysical Journal で報告されているように 2020 年 12 月、Saracco のチームは、C1-23152 から興味深い詳細を抽出することに成功しました。遠く離れた宇宙領域からの光は、膨張する宇宙によって引き伸ばされて地球に到達します。引き伸ばされるほど、電磁スペクトルのより長い波長の「より赤い」セクションへのシフトが大きくなります。 C1-23152 の星明かりのこの「赤方偏移」は、それが 120 億年前、宇宙の若い頃に現れたことを示しています。この銀河が古くて巨大であるという事実だけでも、銀河形成の伝統的なゆっくりとした、しかし確実なモデルにとって十分に問題があります。しかし、それは完全に形成されたように見えただけではありません。 Saracco と彼のチームの真のブレークスルーは、C1-23152 の星形成の歴史を宇宙全体から追跡することでした。
そのブレークスルーの鍵は、巨大な銀河のスペクトル (物体が放出または吸収するさまざまな波長または色の虹のような測定値) を見ることでした。特定の色の組み合わせは、特定の要素を区別します。つまり、このスペクトル シンフォニーを使用して、銀河の星の組成を決定できます。その力を利用して、Saracco 氏は、「[C1-23152] 内の恒星集団の平均年齢と、それらの恒星が形成されるのに必要な時間を、非常に高い精度で初めて導出しました」と述べています。
天文学者がまとめて「金属」と呼ぶ水素やヘリウムよりも重いことが判明した C1-23152 の元素の数は、その奇妙さを暗示していました。金属は星形成によって生成され、超新星によって銀河の星間媒体に放出され、次世代の星が使用できるようになります。より多くの金属は、より多くの星形成サイクルに匹敵し、現在の大質量銀河が金属に富むようになるには何十億年もかかりました. C1-23152 のスペクトルは、銀河が初期の頃は真の金属大当たりだったことを明らかにしました。 星が最初に形成されてから間もなく、非常に急速に星が形成されました。
どのくらい速く？星のスペクトルの特徴は、どの星が若い星や古い星に典型的な要素を持っているかを明らかにするため、その質問にも答えることができます. C1-23152 の最も若い星は、およそ 1 億 5000 万歳です。最も古いものは約6億年前です。これは、銀河がわずか 5 億年で約 2,000 億個の太陽質量を生成したことを意味します。これは、1 日に 1 つ以上、年間 450 個の星の割合です。この数値は、天の川銀河の現在の推定出力のほぼ 300 倍です。ほとんどの銀河がゆっくりと燃える薪の火であり、新しい炎が頻繁に飛び出している場合、C1-23152 はガソリンに浸したたき火です。
C1-23152 とそれに類するものは、天文学者にモデルを破る可能性のある難問を突き付けます:巨大な銀河はどのように組み立てられ、これほど早い時期にこれほど迅速に打ち上げられるのでしょうか?現時点での答えは、要するに、できないということです。
箱の中で宇宙を育てる
しばらくの間、シミュレーションはこれらの巨大な銀河を成長させるのに苦労してきました.しかし、それは彼らが単にそうすることができないという意味ではありません。代わりに、問題はそれらがどのようにプログラムされているかにあるかもしれません.
「シミュレーションを実行するとき、シミュレートしたいボリュームの大きさと、シミュレートできる詳細の量との間にトレードオフがあります。これは、コンピューターの処理能力の有無によるものです」と、ベン・フォレストは言います。カリフォルニア大学リバーサイド校、および新しい研究の共著者。これらの古代の大質量銀河がまれである場合、おそらく、ポップアップする機会を与えるのに十分な大きさのボックスを使用していません. 「おそらく、一部のシミュレーションでは、十分なボリュームをカバーしていない可能性があります」と彼は言います。
それらをすばやく調整して、宇宙時間の初期の時代からメガ銀河を生み出すことも簡単ではありません. 「それらを再実行するには長い時間がかかります。何かを変えたいと思ったら、それが正しいことであり、それが自分のやりたいことだと確信する必要があります」とフォレストは言います。
シミュレーションの最新の反復のいくつかは、より優れたデータと計算能力を備えており、これらの大規模な銀河が早期に少数存在することを予測していると彼は付け加えた.しかし、実際に観測されているものとは異なり、彼らはまだ星を作っている傾向があります. C1-23152 を含む古代の銀河は、生産量がピークを迎えた後、星の形成を突然停止しました。これは、水素とヘリウム燃料が不足するか、星の新鮮な作物やその他の熱狂的な天体物理源から放出される放射線がガスを調理して爆発させるためです。手の届かない。明らかに、一部の材料はまだ仮想レシピに欠けているため、まだ説明に頼ることはできません.
科学者たちは、これらの太古の巨大銀河を説明する手がかりを別の場所で発見しました。ケンブリッジ大学の宇宙学者アナスタシア・フィアルコフは、最新の研究には関与していないが、本格的なシミュレーションとは異なり、解析物理学の計算は「宇宙全体を考慮に入れる」ことができると述べている。そして彼らは、ビッグバンからわずか 4000 万年後に、星形成を開始できる少数のダークマター ハローが現れることを示唆しています。
その時期は、宇宙の若々しい時代の後半に出現する暗黒物質のハローの大半よりもかなり早い時期であり、現在私たちが目にする銀河の多くに種をまく原因となっていると考えられています。代わりに、ビッグバンから 4000 万年後に出現したハローは、最終的に望遠鏡で検出できるようになる太古の巨大銀河の始まりの種をまくことができたでしょう。初期の宇宙も密度が高かった、とホイーラー氏は指摘する。そうすれば、これらの原初の暗黒物質のハロー、そして最終的には銀河の周りの星を作る水素とヘリウムをすくい上げることが、かなり楽になるでしょう。
Neeleman 氏によると、別の選択肢は、複数の組み合わせが発生した可能性があるということです。宇宙のまれな超高密度ポケットは、非常に早い段階で複数の銀河の合体を可能にし、銀河の中心部にガスを注ぎ込む流れは星の形成を促進する可能性があります.
いずれにせよ、暗黒物質が冷たい場合、巨大な古代銀河の出現はより簡単に説明されます。ここで「冷たい」とは、暗黒物質が比較的ゆっくりと移動することを意味します。 「熱い」暗黒物質は、光速に近い速度で移動します。一般的に言えば、暗黒物質が冷たいほど、銀河の種をまくハローに凝縮しやすくなります。この仮定は必ずしも正しいとは限りませんが、「冷たい暗黒物質は機能する最も単純な暗黒物質のシナリオです」とフィアルコフは言います。
C1-23152 の起源と進化を最もよく説明するのは、これらの出来事の融合であるとすれば、ましてやその巨大ないとことは不明です。 「これは宇宙の特別な一角ではありません」と Saracco は言います。しかし、重要なことは、銀河形成の伝統的なゆっくりだが確実なモデルを覆す恐れのあるものは何もないということです。これらの太古の巨大な銀河は、銀河がたどるもう 1 つの経路を表しています。
バック・トゥ・ザ・フューチャー
伝統的なモデルは今のところ生き残っていますが、一部には、これらの巨大な銀河がほとんど見つかっていないためです. 「私たちは少数の統計を扱っています」とフォレストは言います。しかし、科学者たちは巨大生物の本当の数をよく把握していません。それが変わらない限り、それらが私たちの宇宙理解にどのような影響を与え、銀河がどのように異なる方法で進化するかを理解することはあいまいなままです.
おそらく私たちは、これらの古いメガ銀河を、私たちが認識しているよりもはるかに多く見てきました。詳細な研究のために、私たちの望遠鏡は、その性質が明らかになる前に、最も明るい大質量だが燃え尽きた銀河に引き寄せられることがよくあります。天文学者は初期の宇宙にぶら下がっている、他の点では同様の特徴を持つ暗い天体を発見しましたが、最近の研究には関与していないイギリスのバース大学の天文学者Stijn Wuytsは言います.それらは単に質量の少ない銀河であることが判明する可能性もあれば、星形成の全盛期のずっと後に観測された、より古い巨大な銀河である可能性もあります。これらのオブジェクトは、家の近くにある暗いキャンドルですか、それとも遠く離れた広大な薪ですか?
相変わらず、より多くのデータが必要です—。そして、今後登場するいくつかの望遠鏡が、このタイムトラベルする銀河の国勢調査で私たちを助けてくれるでしょう。
まず、遠い過去の疑わしい明るい斑点を見つける必要があります。 「たくさんの候補者を獲得したいのであれば、視野が広いことが重要です」とフォレストは言います。以前は WFIRST として知られており、現在 2025 年の打ち上げを目標としているナンシー グレース ローマン宇宙望遠鏡は、100 個のハッブル宇宙望遠鏡に相当する視野を持ちます。その広くて敏感な目は、可能性のある太古の巨大な銀河をたくさん見ることができます。
これらの候補は、さまざまなスペクトルを調べてその特性を判断し、それらが実際にそのような銀河であり、なりすましではないことを確認することによって法医学的に調べる必要があります。 「理想的には、本当に大きな望遠鏡が必要です」とフォレストは言います。 「これにより、より多くの収集領域が得られます。オブジェクトから入る光子のバケツが大きくなります。」ハワイの 30 メートル望遠鏡が建設されれば適切であり、超大型望遠鏡も同様に法案に適合する可能性があります。ジェイムズ ウェッブ宇宙望遠鏡も、かなりの遅れを経て今年 10 月に打ち上げられる予定ですが、うまく機能するはずです。 「それほど大きくはありません」とフォレストは言います。 「光子のバケツは少し小さくなりますが、大気を透視する必要はありません」ので、対処する干渉が少なくなります。
Saracco は、これらの今後の次世代拡大鏡に特に興奮しています。非常に遠くの物体を見つけるだけでなく、それ以上のことができるからです。 「内部を観察できるようになります [a] 単一の星形成領域にある銀河です」と彼は言います。言い換えれば、天文学者は、銀河のバルク特性のぼやけた画像の代わりに、より詳細なビュー (大まかなスケッチと詳細な絵の違い) を取得し、銀河がどのように形成されるかについての理解に新しい章を開きます.
この助けが届くまで、この科学分野はまだ始まったばかりです。 「銀河の形成には非常に多くの不確実性があります」とホイーラーは言います。
暗闇の中でモンスターを追いかけるのは気が遠くなることがあります。それらは時代のドグマを脅かし、以前のモデルをそれらに適合するように拡張することを余儀なくさせました.そして、それらのモデルが壊れる寸前まで伸びても問題ありません。 「私たちは何らかの形でモデルに挑戦したいと考えています」とホイーラーは言います。 「物事が一致しないとき、それが面白いときです。」
