Published: 2023-01-16 21:30

「宇宙で最初期の銀河」を発見か。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡による新たな成果

史上最大の宇宙望遠鏡として知られるジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）による新たな成果が発表された。今度は約136億年前という宇宙で最初期に形成された可能性がある銀河の発見だ。

【画像】ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が捉えた新たな宇宙の世界

宇宙で最も早い時期に形成された銀河のいくつかと考えられるものを見つけたと、このほど科学者たちが発表した。この興味をかき立てられる発見ができたのは、米航空宇宙局（NASA）の史上最大の宇宙望遠鏡として知られるジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）のおかげである。

「これはハッブル宇宙望遠鏡では見えないところに存在する銀河の候補として最初の重要なサンプルです」と、天文学者のヤン・ハオジンは2023年1月9日（米国時間）、アメリカ天文学会がシアトルで開催した会合での記者会見で語っている。ミズーリ大学に在籍するヤンは、今回新たに発表された研究を主導した人物だ。

ハッブル宇宙望遠鏡よりも高感度になったJWSTは、さらに深い宇宙を見ることができるので、本質的にはさらにさかのぼった過去を見ていることになる。この望遠鏡を使って天文学者たちが見つけた87個の銀河のなかには、ビッグバンからわずか2億年後の約136億年前までさかのぼる可能性のあるものもあった。

それは現在、わたしたちが見ている光を発した銀河の姿である。しかし、星やガスや塵からなるそれらの銀河は、もしいまも存在しているとしたら劇的に変化しているかもしれない。

これまで科学者たちは、宇宙がまだ若かったころにさかのぼるその他の遠方銀河を研究してきたが、ヤンらの発見はそれらの記録を数億年単位で塗り替える可能性がある。だが、現時点ではいずれも「候補銀河」とみなされており、その誕生年代はまだ確認が必要だ。

銀河は年代の測定が難しい場合がある。銀河が放つ光がどれだけ赤い波長のほうへ引き伸ばされているかを示す「赤方偏移」を測定する必要があり、天文学者たちはそれによって銀河が急速に膨張する宇宙をどれくらいのスピードでわたしたちから遠ざかっているのかを知ることができる。

それが地球からその銀河までの距離、より正確に言えば銀河の中の星から放たれた光子が光の速度で移動し、JWSTのような地球近くの宇宙望遠鏡に到達するまでの距離を教えてくれる。今回見つかったなかで最も遠い銀河の星から放たれた光は、この若い銀河が形成されてからかなり早い時期と思われる136億年前のものだった可能性がある。

これらの新たに推定された距離は、今後スペクトルを使って確認する必要がある。つまり、銀河が発する光を電磁スペクトル全体にわたって測定し、その銀河固有の特徴を正確に突き止めるわけだ。

それでもヤンは、これらの銀河の多くが宇宙初期のものであることが正確に測定されたと見込んでいる。「50％以上の確率でそうなることに20ドルとビール1杯を賭けてもいいです」と、ヤンは言う。

ヤンの研究チームはJWSTの近赤外線カメラ (NIRCam) を用いて、これらの銀河を6つの近赤外波長で撮影した。距離の推定には、標準的な「ドロップアウト」と呼ばれる手法が用いられた。

銀河を取り囲む水素ガスは、ある特定の波長の光を吸収する。このため、その対象物を見ることができる波長とできない波長を調べることで、その対象物がどれくらい遠くにありそうなのか範囲を絞り込めるのだ。

今回の87個の銀河のほとんどは、NIRCamで検出可能な範囲のより長い（つまり赤方に偏移した）近赤外波長でのみ検出できる塊のような姿をしている。このため非常に遠くにあり、非常に古い銀河の可能性がある。

だが、いくつかの銀河は予想よりずっと近い可能性があり、その場合それほど古くはないということになる。例えば、単に光が弱すぎるせいで一部の波長では検出されないこともありうる。しかし、もっと詳しいデータを集めることができるまでは、ヤンにもはっきりしたことはわからない。

この新しい宇宙望遠鏡を使って数百万個、ときには数十億個の星が集まる宇宙初期の巨大な銀河を調査することを、多くの天文学者が楽しみにしてきた。それぞれの銀河は、長い時間をかけて固有の形に成長する。その多くはソンブレロのような形をしており、内側の部分が膨らんでいて、その外側に薄い円盤状の銀河が広がっている。

一方で、膨らんだ部分だけの丸い銀河も存在する。これまで天文学者は、初期の宇宙に円盤をもつ銀河はほとんど存在しないと考えていた。ところが、実は光が弱くて観察できなかっただけであることが、JWSTが登場したことで判明した。

一部の天文学者は初期の銀河について、わたしたちの天の川銀河の巨大な渦状腕のような複雑な構造をもっていたのではないかと考えていると、ロチェスター工科大学の天体物理学者のジェイハン・カルタルテペは言う。カルタルテペは宇宙進化早期公開科学調査（CEERS）のメンバーで、今回の天文学会議では研究発表もしている。「向上したJWSTの解像度のおかげで、構造をより鮮明に見ることができます。またNIRCamの高感度によって、以前は単に見えなかっただけのかすかな特徴も見ることができます」

カルタルテペの研究チームは、JWSTの赤外線カメラを使って850個の銀河を調べた。それらの銀河は約115億年から130億年前のものだったが、そのうち約40％に円盤があることがわかった。カルタルテペらの新たな研究成果は、いま査読を受けている最中だ。

さまざまな波長にわたって光の強度を測定するJWST の近赤外線分光装置を使った別の研究チームも、23年1月9日（米国時間）に新たな研究結果を発表している。

この研究チームは、ビッグバンから約7億年後の宇宙に、わたしたちの近くの宇宙でもすでに観察されている“グリーンピース銀河”と呼ばれる小さな天体3つを発見したのだ（クラウドソーシングによって銀河を分類するプロジェクト「Galaxy Zoo」のボランティアたちが名付けたこの愛称は、これらの銀河を分類するために使っている国際的な天体地図作成プロジェクト「スローン・デジタル・スカイ・サーベイ（SDSS）」の疑似カラー画像で丸くて緑色に見えることに由来する）。

NASAゴダード宇宙飛行センターの天体物理学者であるジェームズ・ロードスが率いるこのチームは、先週も研究結果を発表した。「これらはJWSTで観測された宇宙の黎明期の最初のスペクトルのうちの3つです」と、ロードスは記者会見で説明している。

ロードスのチームの研究結果は、宇宙が爆発的に誕生してから7億年後には、おそらくこのようなコンパクトな銀河（星が形成されている過程の若い銀河と考えられている）がありふれていたことを示唆している。現在もまだ同じような銀河を近くの宇宙に見つけることができるが、「グリーンピース銀河は、わたしたちの宇宙ではずっと稀な存在なのです」と、ロードスは言う。