多くの謎が初期宇宙の状態を取り囲んでいますが、その中でも最も重要なのは、銀河がいつ、どのように形成され始めたかという問題です。宇宙の歴史のある時点で、重力の不安定性により、原子、塵、ガスから始まり、恒星や惑星、星団、大規模な銀河へと、ますます大きな物質の塊が形成されました。
初期の原始銀河は、ビッグバンから数億年後に形成された可能性がありますが、渦巻腕、リング、バーなどの特徴を持つ最初の整形された銀河は、宇宙の 138 億年から約 60 億年後にしか形成されなかったと考えられています。年寿命。
天文学は、一般的にこれを確認しました。私たちの故郷である天の川のように、リング、バー、らせん状の腕などの特徴を示す、より近くの、したがって後の銀河で。より遠い初期の銀河に欠けている特徴。
しかし、新たな発見は、この一般に受け入れられている見方に挑戦しています。特に、最近の 3 つの研究は、これまで信じられていたよりもはるかに早く、秩序だった巨大な銀河が宇宙に存在していたことを示唆しています。これは、銀河の形成が予想よりもはるかに早く始まったか、多くのモデルが示唆するよりもはるかに速く進行したことを意味します。
その結果、科学者は銀河形成のモデルを改良して、はるかに早い進化や急速な進化を説明する必要があるかもしれません.
ビッグバンの直後に、薄い円盤や渦巻き腕などの決定的な形や特徴を持つ銀河がどのように形成されたかの謎を解く鍵は、この形成を説明する理論を調べることから始まります。これらのプロセスが長期間にわたって発生することを示唆する一連の理論と、形成がはるかに迅速に進行する可能性があることを示唆する別の理論があります。
目次
- 1 ボトムズアップ!フォーメーションの開始または進行が早かったですか?
- 2 指輪をつけるべきだった!
- 3 大きな悪いオオカミを恐れているのは誰?
- 4 遠い昔に戻って:一部のスターが行方不明
- 5 初期銀河形成の証拠をさらに見つける
- 6 つの情報源と参考資料
ボトムズアップ！フォーメーションの開始または進行が早かったですか?
銀河形成の最も単純なモデルは、宇宙の大部分が水素とヘリウムであった時代に、そのような構造は、自身の重力で崩壊した高密度のガス雲から出現したことを示唆しています。このいわゆる「モノリシック モデル」は、銀河とそれらを構成する星の最初に提案された形成プロセスであり、「ボトムアップ」または階層的形成モデルと呼ばれます。
銀河は、同様の方法で崩壊し、その後ばらばらになった物質のより大きな集合体から出現した可能性があることを示唆する「トップダウン」形成モデルもありますが、これらは現在、ほとんどの宇宙論者に支持されていません。
重力の影響下で、ガスと塵は星々に崩壊し、それらはクラスターとして引き寄せられ、次にスーパークラスター、そして最後に銀河になります.問題は、銀河がどのように成長し、その特徴を発達させるのかということです。
1 つの考えは、銀河の種がガスと塵を蓄積し続け、ゆっくりと巨大なサイズに成長していることを示唆しています。巨大な割合に達すると、この銀河は星団やさらに小さな銀河を飲み込むことができます.このプロセスはかなり遅いはずですが、最初は氷のように、実際には、小さな銀河が吸収され始めると加速します。
これが銀河の主な形成メカニズムであるとすれば、ビッグバンから約 60 億年後までの初期の宇宙では、円盤状の巨大な銀河や天の川のような渦巻銀河が見られないはずです。宇宙のさらに外側、つまり時間をさかのぼると、不規則な銀河と非晶質のブロブが非常に優先されます。そうでない限り、銀河の形成は非常に有利なスタートを切りました。
しかし、銀河の進化には別の理論があります。銀河の成長が主に合併プロセスを通じて進行するとしたら?
銀河が巨大になるまで待って小さな対応する銀河が蓄積し始めるのではなく、同様のサイズの銀河間の合併が、より大きな銀河を作成する原動力になる可能性があります。これは、銀河形成のプロセスが、これまで信じられていたよりもはるかに速く進む可能性があることを意味します。
どちらの場合も、私たちが見るべきものは、円盤、棒、渦巻腕などの特徴を備えた形の整った大規模な銀河であり、宇宙のはるか彼方にあり、したがってさらに過去にさかのぼります。
天文学者が見つけ始めているのはまさにそれです。
指輪をつけるべきだった!
銀河形成のより急速な形態またははるかに早い開始のそのような一連の証拠の 1 つは、110 億光年離れた場所で発見された、衝突リング銀河の特徴的なドーナツのような形でもたらされます。これは、この「宇宙の火の輪」 —「質量が天の川銀河に似ており、その中心に地球と太陽の間の距離の 300 万倍の巨大な「穴」があることで有名です —」は、宇宙がわずか 27 億だったときに存在していたことを意味します。歳。予想よりずっと早い。
オーストラリアの ARC センター オブ エクセレンス フォー オール スカイ アストロフィジックス イン 3 ディメンションズ (ASTRO 3D) の Tiantian Yuan 博士は、リング銀河 —“R5519 と指定された”——に年齢を与えることに成功したグループの一員でした。
「これは非常に興味深い天体です。これまでに見たことのない天体であり、初期の宇宙には見られませんでした」と、渦巻腕などの銀河の特徴を研究する専門家である Yuan 氏は説明します。 「R5519 はコロナ銀河のように見えますが、そうではありません。」
では、R5519 が目立っていたとしても、銀河進化のモデルが不正確である可能性があることをどのように示唆しているのでしょうか?その答えは、このような衝突リング銀河がどのように作られるかにあります。
Yuan 氏は、R5519 の中心にある「穴」は、射撃場で弾丸が薄い紙の標的に当たるように、薄い円盤状の銀河が別の銀河に正面から「撃たれた」ときに作成されたと説明しています。
「銀河が標的の銀河 — 薄い星の円盤— に弾丸のように正面から衝突すると、犠牲となった銀河の円盤にパルスが発生します」と Yuan 氏は言います。 「その後、パルスはリングを形成するターゲット銀河を通過して放射状に伝播する密度波を誘導します。」
Yuan 氏は、天文学者はかつて、銀河衝突が進行していたという理由だけで、若い宇宙でより多くの衝突環銀河を発見できると予想していたと説明しています。 「そうではないことがわかりました」と彼女は続けます。 「若い宇宙には衝突や弾丸が多いかもしれませんが、ターゲットとして機能する薄い星の円盤が不足している…またはそう考えていました。」
ここに問題があります。現在支持されている宇宙論モデルによると、この宇宙発射範囲は宇宙の歴史の初期には存在しないと考えられています。
「私たちの発見は、天の川銀河に似た薄い恒星円盤が、宇宙の年齢の 4 分の 1 の銀河ですでに開発されていることを意味しています。」
Yuan と彼女のチームの調査結果は、薄い円盤やリングのような銀河の構造が可能であることを示しています ビッグバンから30億年後の姿。研究者は、初期宇宙における構造化された銀河の考えを支持する別の研究を指摘しています.
「円盤形成の最初のステップは、円盤、つまり回転によって支配される物体を形成することです」と Yuan 氏は言います。 「これが、『ウルフ円盤』の最近の発見が本当に驚くべき理由である. —これは、大きなガス円盤の最も早い形成時期を、私たちが以前考えていたよりもはるかに早くした.」
ビッグ・バッド・ウルフを恐れるのは誰?
Tiantian Yuan 博士が言及している発見は、宇宙が誕生してわずか 15 億年だった頃に巨大な回転する円盤銀河が発見されたことです。この銀河は、正式には DLA0817g と名付けられましたが、1990 年代にそのような天体について最初に推測した故天文学者アーサー M. ウルフに敬意を表して、「ウルフ ディスク」と呼ばれています。
ウルフ ディスク —「毎秒約 170 マイルという驚異的な速度で回転している—」は、宇宙が現在の年齢の 10% にすぎなかったときに存在したという事実は、急速な銀河の成長または大規模な銀河の初期の形成を強く示唆しています。
「私たちの天の川銀河に似ているが、ビッグバンからわずか 15 億年後に形成された、大規模で急速に回転する円盤銀河の発見からの「お持ち帰り」メッセージは、銀河の形成が、大規模でガスに富むガスを生成するのに十分な速さで進行する可能性があるということです。カリフォルニア大学サンクルーズ校の天文学と天体物理学の教授であり、ウルフ ディスクを発見したチームの一員である J. Xavier Prochaska は言います。
ウルフ円盤の発見の背後にあるチームは、その存在と、それが大規模で整形式であるという事実は、ガスと塵のゆっくりとした降着が銀河の主要な形成メカニズムではない可能性があることを示していると考えています。はるかに迅速な何かが作用している可能性があります。
「宇宙の初期に発見されたほとんどの銀河は、一貫してしばしば『激しく』合体したため、列車事故のように見えます」と、天文学者を率いた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マルセル ニーレマンは言います。 「これらの熱い合体は、現在の宇宙で観察されるように、秩序だった冷たい回転する円盤を形成することを困難にします。」
Wolfe ディスクが冷たいガスと塵の蓄積の結果として成長した場合、これはその安定性について未解決の疑問を残すと Prochaska は説明します。回転ディスク。」
もちろん、次の研究が示すように、理論または一連の理論が不正確であるという証拠を提供する何かが存在しない場合もあります。
さらに遠い過去へ:一部のスターが行方不明
ハッブル宇宙望遠鏡 (HST) により、天文学者は宇宙が誕生してわずか 5 億年だった頃を振り返ることができ、研究者は最終的に最初の銀河の性質を調査し、ウルフ ディスクと同じように現在の宇宙論モデルにさらに多くの矛盾をもたらすことができます。と R5519 が持っています。
HST によって最近提供され、ヨーロッパの天文学者のチームによって調査された結果は、宇宙がわずか 5 億歳のときに原始星が存在しなかったことを確認しています。
これらの初期の星 —「集団 III 星」と名付けられた—は、水素とヘリウムだけで構成されており、少量のリチウムとベリリウムを含んでいると考えられており、若い宇宙におけるこれらの元素の豊富さを反映しています。
欧州宇宙機関の Rachana Bhatawdekar が率いる天文学者のチームは、宇宙の歴史の 5 億年から 10 億年の間に存在していたため、宇宙を検索することにより、この第 1 世代の星が存在しないことを確認しました。彼らの観測結果は 2019 年の論文に掲載され、さらなる研究は王立天文学会の月報に掲載される予定であり、第 236 回アメリカ天文学会の記者会見で議論されています。
「種族 III の星は、非常に高温で質量が大きいため、通常の星よりもはるかに青い色をしています」と Bhatawdekar 氏は言います。 「そのため、私たちは銀河の紫外線を調べて、それらがどのくらい青く見えるかを正確に確認しました。」
チームは、彼らが観察した銀河が青色であったとしても、それらは非常に低い金属を含む星を持つほど青色ではないことを発見しました. 、窒素、炭素、鉄など… 」 バタウデカール。 「これは本質的に、星や銀河がこの非常に初期の宇宙時代よりも前に形成されたに違いないことを意味します。」
したがって、チームの観測は、星がこの時点までにすでに衰退して死に始めたことを示唆しています。より重い元素が宇宙に戻ってきます。これらの要素は、後の世代の星の構成要素を形成するために続けられます.
このパズルのピースは、大質量銀河の存在が急速な成長の結果として生じる要因ではなく、成長プロセスが以前に始まったことを示唆しているように思われます.
「この宇宙の時間間隔で、これらの第 1 世代の種族 III の星の証拠は見つかりませんでした」と Bhatawdekar は説明します。 「これらの結果は、銀河が私たちが考えていたよりもはるかに早く形成されたに違いないことを示しているため、天体物理学に重大な影響を及ぼします。」
初期の銀河形成のさらなる証拠の発見
Bhatawdekar にとって、宇宙初期の状態に関するさらなる調査は、ジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡の打ち上げによってのみ、実際に開かれるでしょう。
「私たちが見つけたのは、この漫画の時代に種族 III の星が存在するという証拠はありませんが、初期の宇宙には多くの低質量/暗い銀河があるということです」と彼女は言います。 「これは、最初の星と最初の銀河が、ハッブルが探査できるこの信じられないほどの機器よりもさらに早く形成されたに違いないことを示唆しています。
「来年の 2021 年に打ち上げられる予定のジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡は、宇宙がちょうど 2 億歳だった時代までさかのぼります。」
ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の打ち上げ前でさえ、これらの結果がまぐれである可能性があり、したがって初期の大質量銀河へのより広範なシフトを示すものではないという考えを却下するかのように、Tiantian Yuan は、まだ公開されていないさらなる発見について説明しています。
「私は実際に、初期宇宙でもっと多くの衝突環銀河を発見しました!」ユアンが叫ぶ。 「重力レンズ効果のあるクールなものがあり、リングをより鮮明に見ることができます。
「この新しいリングは R5519 よりも 10 億年古いものであり、R5519 とは大きく異なり、近くの宇宙のリングに似ていると言えます。」
銀河の進化についての考えを洗練させていくと、相反する 2 つの理論が提示されたとき、真実はその中間にあることがわかるでしょう。したがって、現在進行中の銀河の形成、銀河間の合体、および宇宙の歴史における複雑な構造を観察すると、銀河の進化がゆっくりと急速に進行する可能性があることがわかります。
願わくば、このモデルの組み合わせが、薄い円盤から螺旋状の腕、輪、棒がどのように発生するかについての正確なレシピを提供することにもなります。現在足りないもの。
「これらの発見が意味することは、銀河のさまざまな構造が最初にどのように形成されたかについて疑問を投げかけることができる新しい時代に私たちが入っているということです」と Yuan は説明します。 「銀河は一度に形成されるわけではありません。一部のパーツは最初に組み立てられ、他のパーツは後で進化しました。
「モデルが次のレベルの精度と精度に進化する時が来ました。ジグソー パズルのように、観測で明らかになったピースが多ければ多いほど、理論モデルを正しくすることは難しくなり、自然の支配力をより深く理解できるようになります。」
情報源と参考文献
元。 T、エラギ。あ、ラベ。私、カプルザク。 G. G, et al, 「巨大な輪を持つ若い宇宙の巨大な銀河」Nature Astronomy [2020].
ニールマン。 M、プロチャスカ。 J. X、カネカー。 N、ラフェルスキー。 M、[2020]、「ビッグバンから 15 億年後の、冷たくて巨大な、回転する円盤銀河」Nature、 [https://www.nature.com/articles/s41586-020-2276-y]
バタウデカール。 R、コンセリツェ。 C. J、マルガレフ-ベンタボル。 B、ダンカン。 K、「ハッブル フロンティア フィールドにおける z =6-9 での銀河恒星質量関数と UV 光度関数の進化」、王立天文学会の月例通知 、第 486 巻、第 3 号、2019 年 7 月、ページ 3805 ～ 3830、[2019 年]、https://doi.org/10.1093/mnras/stz866
