>> 自然の科学 >  >> 天文学

発見が宇宙の最初の光をめぐる争いに火をつける


ビッグバンから間もなく、すべてが暗転しました。初期の宇宙に浸透した水素ガスは、宇宙の最初の星や銀河の光を消し去ったでしょう。何億年もの間、銀河に相当する星や、超大質量ブラック ホールによって作成されたような想像を絶するほど明るいビーコンでさえ、ほとんど見えなくなっていたでしょう。

最終的にこの霧は、再イオン化と呼ばれるプロセスで高エネルギーの紫外光が原子をバラバラに分解したため、燃え尽きました。しかし、これが正確にどのように起こったのかという疑問 — どの天体がプロセスを動かし、それらのうちの何個が必要だったか — は何十年にもわたって天文学者を悩ませてきました.

現在、一連の研究で、研究者は初期の宇宙をこれまで以上に詳しく調べています。彼らは、銀河と暗黒物質を巨大な宇宙レンズとして使用して、知られている最も初期の銀河のいくつかを観察し、これらの銀河が宇宙の霧をどのように消散させたのかを明らかにしました。さらに、国際的な天文学者チームは、それぞれが数百万の太陽の質量を持つ数十個の超大質量ブラック ホールを発見し、初期の宇宙を照らしています。別のチームは、超大質量ブラック ホールが存在すると考えられる何億年も前に存在していたという証拠を発見しました。このような超大質量ブラック ホールが宇宙の歴史の初期にどのように形成されたのかについて疑問が生じているにもかかわらず、新しい発見は、宇宙の再電離にどれだけのブラック ホールが貢献したかを明らかにするはずです。

ファーストライト

ビッグバン後の最初の数年間、宇宙は熱すぎて原子が形成できませんでした。陽子と電子が飛び交い、光を散乱させた。それから約 380,000 年後、これらの陽子と電子は冷却されて水素原子を形成し、その後数億年にわたって星や銀河に合体しました。

これらの銀河からの星の光は、明るくてエネルギーがあり、その多くはスペクトルの紫外部分に落ちていたでしょう。この光が宇宙に飛び出すと、さらに水素ガスに遭遇しました。これらの光子は水素ガスを分解し、再イオン化に寄与しますが、そうすると、ガスが光を消し去ります.



これらの星を見つけるために、天文学者は光の紫外線以外の部分を探し、そこから推定する必要があります。しかし、この非紫外光は比較的薄暗く、助けなしでは見るのは困難です。

テキサス大学オースティン校の天体物理学者 Rachael Livermore が率いるチームは、巨大な宇宙レンズの形でまさに必要な助けを見つけました。これらのいわゆる重力レンズは、大量の暗黒物質で満たされた銀河団が時空を曲げて、その反対側にある物体に焦点を合わせて拡大するときに形成されます。 Livermore は、ハッブル宇宙望遠鏡からの画像を使用してこの手法を使用し、ビッグバンから 6 億年後の非常に暗い銀河を発見しました。

The に掲載された最近の論文では 天体物理ジャーナル 、リバモアと同僚はまた、これらのような銀河を以前に知られている銀河に加えると、星は宇宙を再イオン化するのに十分な強度の紫外光を生成できるはずであると計算しました.

しかし、落とし穴があります。この研究を行っている天文学者は、恒星の紫外光のうちどれだけがその故郷の銀河 (遮光水素ガスでいっぱい) を逃れ、より広い宇宙に出て再電離に大きく寄与するかを見積もる必要があります。その見積もり — 逃避率と呼ばれるもの — は大きな不確実性を生み出しますが、リバモアはすぐにそれを認めています.



さらに、誰もがリバモアの結果を信じているわけではありません。オランダのライデン大学の天体物理学者である Rychard Bouwens は、The に提出された論文で主張しています。 天体物理ジャーナル リバモアは、重力レンズを構成する銀河団から光を適切に差し引いていませんでした。その結果、遠方の銀河はリバモアらが主張するほど暗くはなく、天文学者は星が宇宙をイオン化したと結論付けるのに十分な銀河を発見していない.

超大質量ブラック ホールの優位性

星がその仕事を成し遂げることができなかったとしても、おそらく超大質量ブラックホールがそれを成し遂げることができた.巨大なブラック ホールは、太陽の質量の 10 億倍もの巨大なサイズで、物質をむさぼり食います。彼らはそれを彼らに向かって引っ張り、それを加熱します。このプロセスは、多くの光を放出し、私たちがクエーサーと呼ぶ光る物体を作成します.クエーサーは恒星よりもはるかに多くの電離放射線を放出するため、理論的には宇宙を再電離させることができます。

秘訣は、それを行うのに十分なクエーサーを見つけることです。先月、科学プレプリント サイト arxiv.org に投稿された論文で、すばる望遠鏡を使用している天文学者は、以前に特定されたものの約 10 分の 1 の明るさの 33 個のクエーサーを発見したと発表しました。プリンストン大学の天体物理学者でチームのメンバーである Michael Strauss は、このようなかすかなクエーサーを使用して、天文学者はこれらの超大質量ブラック ホールが放出する紫外線の量を正確に計算できるはずだと述べています。研究者はまだ分析を行っていませんが、今後数か月以内に結果を公開する予定です。

これらのクエーサーの中で最も古いものは、ビッグバンから約 10 億年後にさかのぼります。これは、通常のブラック ホールが超大質量の状態になるのに十分な量の物質をむさぼり食うのにどれくらいかかるかのようです。

これが、別の最近の発見が非常に不可解な理由です。ヨーロッパ南天天文台の天文学者であるリチャード・エリスが率いる研究チームは、ビッグバンからわずか6億年後に見られた明るい星形成銀河を観察していました。銀河のスペクトル (波長別の光のカタログ) には、イオン化された窒素の痕跡が含まれているように見えました。通常の水素をイオン化するのは難しく、窒素をイオン化するのはさらに困難です。恒星が発するよりも高いエネルギーの紫外線を必要とします。そのため、電離放射線の別の強力な発生源、おそらく超大質量ブラック ホールがこの時点で存在しなければならなかったと、エリス氏は述べています。

初期の星形成銀河の中心にある 1 つの超大質量ブラック ホールは、外れ値である可能性があります。宇宙を再イオン化するのに十分な数が周りにあったという意味ではありません。そのため、エリスは他の初期の銀河を調べ始めました。彼のチームは現在、超大質量ブラック ホールが初期宇宙の他の巨大な星形成銀河の中心にあったという暫定的な証拠を持っています。これらの天体を研究することで、何が宇宙を再電離させたのかを明らかにし、超大質量ブラック ホールがどのように形成されたのかを解明するのに役立つ可能性があります。 「それは非常にエキサイティングな可能性です」とエリスは言いました。

このすべての研究は、何が宇宙を再イオン化したのかについての比較的単純な説明に収束し始めています。若くて熱い星の最初の集団がおそらくこのプロセスを開始し、それを何億年も前に進めました。やがて、これらの星は死にました。それらに取って代わった星は、それほど明るくも暑くもありませんでした。しかし、宇宙の歴史のこの時点までに、超大質量ブラックホールは成長するのに十分な時間があり、支配し始めることができました.テキサス大学オースティン校の天体物理学者であるスティーブ・フィンケルスタインなどの研究者は、初期の銀河活動の最新の観測データとシミュレーションを使用して、このシナリオの詳細をテストしています。

彼の研究 (および宇宙の最初の 10 億年に関係するすべての研究) は、2018 年にハッブルの後継となるジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡が打ち上げられてから数年後に勢いを増すでしょう。その調査結果は、おそらくさらに多くの疑問を引き起こすでしょう.

2017 年 5 月 19 日の訂正:すばるチームは最近、初期宇宙での 33 個のクエーサーの発見を発表しました。記事が最初に述べた 32 個ではありません。



  1. 赤経と赤緯
  2. 火星をテラフォーミングできるかどうか
  3. 興味をそそる新しい仮説のおかげで、地球がどのように形成されたかがついにわかるかもしれません
  4. 人工衛星はなぜ決められた軌道を走るのですか?
  5. NASA が ESA と協力して暗黒物質を発見
  6. 人間は宇宙で優勢な種になることができますか?私たちはまだそれを知りません?