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宇宙はこれまでに作る星のほぼすべてを作った

私たちの人間の世界は光に浸っています。まず第一に、100,000 兆個の光子が、私たちが太陽と呼んでいる天然の巨大な熱核反応炉の外側のエンベロープからここで競争した後、地球の昼側の表面のすべての平方センチメートルに毎秒到着します。立方センチメートルのオープン スペースを通り抜ける光子もあります。これらのいくつかは、130 億年以上前の高温のビッグバンからのマイクロ波の残骸であり、その他は、遠く離れた星で生成された光子や、宇宙全体に散らばった無数の天体物理学的イベントです。

私たちはまた、地元産の職人技の電磁波を浴びています。私たちの体を温め、ぐにゃぐにゃした人間は、強力な赤外線ビーコンです。私たちの派手な化学代謝は、エネルギーを熱として放出し、環境に光子を放射します。電磁スペクトルの赤外線波長に敏感なゴーグルのスイッチを入れることができれば、世界がまばゆいほどに輝いていることがわかるでしょう。自己生成した光から、犬、猫、ペットのオウム、さらには必死に羽ばたく昆虫の小さな筋肉までもが燃え上がる光まで。 .

しかし、宇宙の彼方に目を向けると、光に満ちた私たちの存在がおそらく少し異常であることがますます明らかになります.この事実の最大の手がかりの 1 つは、太陽が沈み、空が暗くなるたびに、私たちの顔を見つめることです。私たちが真に無限で不変の宇宙に住んでいたとしたら、私たちが見たすべての方向に星の銀河があり、すべてが無限に積み重なっていて、可視光のない場所はありません.

宇宙論では、これは 1823 年にドイツの天文学者 Heinrich Olbers によって研究された後、Olbers のパラドックスとして知られています。長い間認識されていたパズルを数学的に表現することでまともな仕事をしたにもかかわらず、Olbers 自身は天球がほとんど暗く、1848 年にエドガー・アラン・ポーが物事を正しい軌道に乗せるための余地を残しました。ポーの定性的な洞察は、おそらく宇宙は単に空を光で満たすほど古いものではなかったということでした.

パラドックスに対する現代の解決策にはいくつかの微妙な点が含まれていますが、それは実際、私たちが無限で不変の宇宙に住んでいないという事実にほとんど帰着します.宇宙には有限の年齢があるだけでなく、星を作る複雑な歴史 (有限の寿命) があり、遠い場所から私たちに届く光の強度を弱める膨張を経験しています。その結果、私たちの空は私たちの目には一様に明るくならず、宇宙のほとんどは私たちの日常の状況と比較して光子が不足しています.

しかし、物語はそこで終わりではありません。なぜなら、星の歴史には、そもそも実際の星の形成に関連するいくつかの奇妙なねじれがあるからです。星間物質の重力凝集と崩壊から始まり、個々の星または星のグループの存在につながる基本的な物理的要因とプロセスについて、かなりしっかりと (まだ不完全ではありますが) 理解していますが、銀河の星の場合は、かなりトリッキーです.

過去30年ほどの研究により、宇宙全体での星の形成は、およそ100億から110億年前に活動の延長されたピークに達したことが明らかになりました。その時代以来、確かに新しい星はまだ生産されていますが、生産率は劇的に低下しています.宇宙がこれまでに作ることになる星の大多数、おそらくそれらの95パーセントはすでに作られているように見えるほどです.未来は、銀河の合体やその他の引き金となる出来事の発生による時折の突風によって区切られた、恒星の新生児の数がこれまでになく減少しているものの 1 つです。

しかし、ここに大きな謎があります。宇宙がこれまでに作った星の数、そしてこれから作る星の数に上限を設けるのは、正確には何ですか?この問題は、特に個々の銀河の恒星構成に関連して、長い間天体物理学の激しい議論の対象となってきました。たとえば、現在の宇宙論的パラダイム (または少なくともほとんどの科学者が同意しているパラダイム) では、私たちは暗黒物質に支配された宇宙に住んでおり、暗黒物質の宇宙では最大の銀河が最も最近に形成され、小規模なシステムの階層的で重力に基づく合併。しかし、非常に大きくて重い銀河を調べると、それらは古い星で構成されている傾向があることがわかります。これは、それらの銀河がすでに非常に長い間、暗雲の中に留まっていることを示唆しています.

これを説明するために、天文学者は「クエンチング」という考えを呼び起こします。これは、何かが銀河全体で新しい星の形成を抑制または停止するように作用します。驚くべきことではありませんが、これらのスケールで何かを消滅させるにはかなり強力なメカニズムが必要です。最も可能性の高い原因の 1 つは、ほとんどの銀河の中心に存在し、物質から放出された光子と粒子で周囲の空間をあふれさせることができる超大質量ブラック ホールです。事象の地平線に向かってきしむように。このエネルギーの外側への移動は、文字通り、星間ガスを吹き飛ばすことができます。星間ガスは、冷やされて新しい星に集まります。

これがどのように機能するかの正確な詳細は、確かにまだ完全には理解されていません.しかし、超大質量ブラック ホールの質量が、そのホスト銀河に含まれる星の質量と相関しているように見えるという事実には、興味をそそる新たな手がかりがあります。太陽の質量の 10 億倍の超大質量ブラック ホールでさえ、太陽系と同じような体積しか占めないため、これはかなり衝撃的です。つまり、何万光年にもわたる銀河は、事実上、その中心にある微細な点と密接に関係しています。

提案されている説明の 1 つは、一種のパ​​ルス フィードバック システムが存在するというものです。ブラック ホールが、新しい星を作るのと同じ星間物質の流入を飲み込んで成長する場合、これが発信エネルギーの洪水を引き起こし、同時にブラック ホールの食物を押しのけ、銀河全体で星の形成を抑制し、穴の質量を維持します。そして、その歴史を通じて着実に成長しているスターの総数。

そこには、ブラック ホールの最も奇妙な特徴の 1 つがあります。宇宙の「一方通行」であるにも関わらず、ブラック ホールは、観測可能な宇宙で最も輝かしく遠大な現象のいくつかに力を与えることもできます。次に、宇宙が持つことができる星の数を大幅に制限するように作用した可能性が高い現象。宇宙の蓄積された光を消す役割を果たします。闇がなければ光を持てないというのは古いことわざですが、宇宙にとって、光がなければ闇を持てないということも非常に真実です。

Caleb Scharf は天体物理学者であり、ニューヨークのコロンビア大学の宇宙生物学のディレクターであり、人間と機械の意識を研究する研究所である yhousenyc.org の創設者です。彼の最新の本はです ズーム可能な宇宙:ほとんどすべてのものからほとんど何もないものまで、宇宙規模の壮大なツアー。

参考文献

1. Heinrich, B. 吸熱性昆虫の体温調節。 科学 185 、747-756 (1974)。

2. Madau, P. &Dickinson, M. 宇宙の星形成の歴史。 天文学と天体物理学の年次レビュー 52 、415-486 (2014)。

3. Sobral, D., z =2.23、1.47、0.84、および 0.40 での大規模な Hα サーベイ:HiZELS からの星形成銀河の 11 Gyr 進化。 王立天文学会の月例通知 428 、1128-1146 (2013).

4. Man, A. &Belli, S. 大質量銀河で消光する星形成。 自然天文学 2 、6950697 (2018)。

5. Stephens, T. 銀河がどのように死ぬか:星形成の消滅に関する新しい洞察。 news.ucsc.edu (2020).

リード画像:Vadim Sadovski / Shutterstock


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