ビッグバンの火の玉が膨張して冷えると、白熱からチェリーレッドになり、最終的には見えなくなりました。宇宙は暗黒に陥り、その結果、宇宙の暗黒時代が際限なく引き延ばされました。時間の経過とともに、宇宙はサイズが 2 倍になり、さらに 2 倍になりました。そして、ある日、異常なことが起こりました。暗黒時代は終わりました。宇宙全体で、クリスマス ツリーのライトのように星が点灯し始めました。
最初の星は、最初の銀河を作成するために重力の下で集まったか、最初の銀河を構成するガスと塵の雲の中で実際に生まれました。そして、これらの最初の銀河を見つけるための捜索が熱くなっています。 1 つのプロジェクトである再電離レンズ銀河団調査 (RELICS) では、宇宙の歴史の最初の 10 億年に存在した約 300 の銀河が発見されました。特に 1 つの銀河は非常に古いため、それが占めていた宇宙は、現在の 138 億 2000 万年の年齢のわずか 3% でした。そのような天体は、天文学者の望遠鏡の中に永続的な残像のように現れます。それらの光は、私たちに到達する前に何十億年もの間宇宙を旅してきました.
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さかのぼる
多くの国の 40 人以上の天文学者が RELICS プロジェクトに関与しており、ハッブル宇宙望遠鏡とスピッツァー宇宙望遠鏡で何百時間もの観測時間を提供しています。しかし、主要な観測機器は宇宙そのものです。宇宙に散らばる巨大な銀河団の重力場は巨大なレンズのように作用し、他の方法では見ることができないほどかすかであることが多いより遠くの銀河の光を集束して拡大します。 「私たちは自然の望遠鏡を利用しています」と、ボルチモアの宇宙望遠鏡科学研究所の RELICS の主任研究員であるダン コーは言います。
最も古い銀河を見つけるのに役立つレンズ効果のあるクラスターを見つけるために、Coe は、ハッブルの画像のアーカイブと、欧州宇宙機関 (ESA) のプランク衛星によって観測された約 1,000 の銀河クラスターの最近のカタログを検索しました。プランクの主な目的は、ビッグバン火球自体の「残光」である宇宙背景放射を画像化することでしたが、プランクが拾った「遠赤外線」光は、銀河団の暖かい塵からも来ています。 「最終的に 41 個の大規模な銀河団ができました」と Coe は言います。 「私たちは、非常に強力な重力レンズとなる極端な質量のためにそれらを選択しました。」
各銀河団のすぐ近くには、偶然にも銀河団によって「重力レンズ」された、文字通り何千もの遠くの銀河の幽霊のような画像があります。しかし、ほとんどは遠く離れた銀河のものであり、宇宙初期の銀河ではありません。 「本当に古い天体を見つける秘訣は、ハッブルとスピッツァーの画像からの赤外線画像に現れるが、可視波長で撮影されたハッブル画像には現れないレンズ銀河を探すことです」とコーは言います。しかし、これが超遠方の超初期銀河を明らかにする理由を理解するには、「赤方偏移」の概念を調べる必要があります。
赤く見える
宇宙が若かったとき、それは小さかった。 RELICS で最も遠い銀河は、宇宙が現在のサイズの 1,000 分の 1 未満だった 130 億年以上前に存在していました。その間に空間が拡大するにつれて、その銀河からの光も引き伸ばされました.赤色光は青色光よりも波長が長いため、そのような銀河の光はスペクトルの赤色端にシフト、つまり「赤方偏移」します。
初期の銀河の光は赤方偏移が非常に強かったため、その可視光は現在、スペクトルの赤端を超える波長で「赤外線」として表示されます。このように、銀河は、ハッブルの高度な調査用カメラには見えないが、赤外光に敏感なハッブルの広視野カメラ 3 には見えるという独特の特徴を持っています。スピッツァーの赤外線画像装置は、銀河が非常に高い赤方偏移にあるのか、それとも遠く離れていて塵や老齢のために本質的に赤いだけなのかを判断する上でも重要です。
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銀河団によって形成された重力レンズは、夜空の小さな領域にズームインするため、そのような領域には、遠い宇宙のどの銀河よりも空のスペースが含まれる可能性が高いと予想される.しかし、初期の宇宙の銀河ははるかに小さく、はるかに多数だったことが判明したため、実際には、重力レンズの視野に銀河が現れる可能性が高い.これが、RELICS が一握りの銀河ではなく約 300 の銀河を発見した理由を説明しています。これらは、宇宙の最初の 10 億年にさかのぼり、その時代から観測された中で最も明るい銀河を含んでいます。
300 の銀河の中には、想像を絶する名前の SPT0615-JD があります。赤方偏移は 10 です。これは、観測可能な宇宙が現在の直径の 10 分の 1 未満で、年齢が約 4 億年しか経っていなかったときに存在したことを意味します (以前の調査で発見された現在の記録保持銀河は、実際には赤方偏移を持っています)。 11の）。レンズ効果により、銀河は歪んで拡張された「弧」を形成しており、Coe 氏は、詳細を識別するにはさらなる観測が必要であると述べています。それにもかかわらず、SPT0615-JD が現在の銀河とはまったく異なることはすでに明らかです。天の川の直径のわずか 20 分の 1 で、質量はその 100 分の 1 未満であり、規則性はまったくありません。実際、コーと彼の同僚はそれを「汚れ」と呼んでいます。他の 300 個余りの銀河も同様に小さいです。
タイムマシンがあり、赤方偏移が 10 に戻ることができれば、別の宇宙にいることに気付くでしょう。今日の「巨大な楕円銀河」や「渦巻き」のような明確な構造を持つ銀河は存在しません。それらの代わりに、小さな無秩序な塊が見られ、多くの場合、天の川の直径の 100 分の 1 未満です。そのような銀河は猛烈な速度で星形成を受けており、多くの場合、今日の宇宙の銀河よりも数百倍または数千倍高速です。これには少なくとも 2 つの理由があります。まず、星の原料であるガスが豊富でした。第二に、赤方偏移が 10 の銀河は、現在の銀河よりも数千倍も多く、互いにはるかに接近していたため、衝突や合体が頻繁に起こり、激しい星形成の引き金となった.
合体が初期宇宙の支配的な特徴だったという事実は、当時の銀河について何か重要なことを教えてくれるかもしれません。 「おそらく、私たちは今日の銀河の構成要素を見ています」とコーは言います。 「時が経つにつれ、これらの太古の銀河は衝突と合体を繰り返す運命にありました。実際、私たちの天の川銀河は、現在のサイズに到達するまでに何千回もの合併を経た可能性があります。」
コーによれば、私たちが発見した最も初期の銀河でさえ、寿命の終わりに近づいている古い明るい赤い星を含んでいるため、最初の銀河はまだ見られていません。最初の銀河は、ビッグバンからわずか 2 億年後に形成された可能性があります。それらを見つけるための最善の希望は、2021年に打ち上げ予定のハッブルの後継であるジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を使用することであるとCoeは言います。地球から約 100 万キロ離れたラグランジュ 2 点と呼ばれる。ラグランジュ ポイントは、太陽と地球からの重力が衛星の軌道運動と釣り合う空間領域です。これらのポイントのいずれかに宇宙船を配置すると、方向を変えるのに必要な最小限のエネルギーで、地球と太陽に対して固定位置にとどまることができます。
さらに掘り下げる
James Webb は遠赤外線に敏感になるため、超高赤方偏移の銀河を検出できるようになります。ジェイムズ・ウェッブが「宇宙の再イオン化」に光を当てることを期待しています。これは、初期宇宙の宇宙全体に浮遊するガスの性質を根本的に変えた重要な出来事です。ビッグバンから約 380,000 年後、火の玉は電子が水素やヘリウム原子核と結合して宇宙の最初の原子を形成するのに十分なほど冷却されました。ただし、謎があります。今日、天文学者が宇宙に浮遊する水素ガスを観察すると、その電子が吹き飛ばされ、「再イオン化」されていることがわかります。宇宙を再イオン化できた唯一のものは、高エネルギーの紫外線です。では、どこから来たのでしょうか?
プランクの観測は、再電離が約 9 の赤方偏移で始まったことを示しています。1 つの可能性は、原因となる紫外光が、宇宙の誕生からわずか 1 億年後に形成を開始した最初の星から来たということです。もう1つの可能性は、紫外光は、超大質量ブラックホールに渦を巻くときに白熱に加熱された物質から来たというものです.これらは生まれたばかりの銀河の中心部で形成され、超明るいクエーサーとして輝いています。コーは、複数の発生源が宇宙を再イオン化した可能性があると考えています。 「たぶん星が再電離の大部分を担っており、一部はクエーサーが担っているのでしょう」と彼は言います。 「そして、別の原因が存在する可能性さえ考えられます。おそらく暗黒物質の粒子の消滅であり、恒星や銀河の 6 倍の重さがあることが知られている神秘的な目に見えない物質です。」
しかし、ジェームズ・ウェッブがさらに多くの答えを出すのに役立つことを願っています。最初の星が形成されたのはいつですか？そのような種族 III 星は、知られているように、ビッグバンからの水素とヘリウムのみを含み、酸素、カルシウム、鉄などの重元素は星内での核反応によってのみ生成されます。現在の星よりもはるかに巨大であり、超新星として爆発する前にわずか数百万年で猛烈な速さで生涯を駆け抜けたと予想される、Population III の星をまだ誰も発見していません。
ハッブル宇宙望遠鏡は、天の川銀河の大渦巻きのように回転する、無定形の塊から規則的な構造へと移行する銀河をすでに発見していますが、ジェームズ・ウェッブは、そのような規則的な回転を示す最も初期の銀河を見つける可能性があります。実際、Coe と彼のチームは、チリの Atacama Large Millimeter Array を使用したフォローアップ観測で、これを決定できる可能性があります。彼らが古代の銀河のいずれかで酸素からの放出を検出できれば、銀河全体でのその放出の頻度の違いから、ある部分が私たちに向かって動いているのか、ある部分が体系的に離れているのかを明らかにすることができます.このようなドップラー効果は、銀河の回転の決め手です。
James Webb は、最初の銀河がいつ形成されたのかなど、他の疑問を解決するかもしれません。彼らはどのように見えましたか？それらは本当に天の川のような銀河の構成要素ですか? 「宇宙時間で 134 億年にわたる銀河の進化を観測してきました。これは、最初の 97 パーセントにさかのぼります」と Coe は言います。 「欠けている 3 パーセント、つまり最後に残っているジグソー ピースを見るのがとても楽しみです。」
- この記事は BBC Science Focus で最初に公開されました 2019 年 3 月 – 登録はこちら
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