ハッブル宇宙望遠鏡でも見えない、宇宙第一世代の恒星

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ハッブル宇宙望遠鏡と重力レンズ効果により、宇宙誕生後5~10億年に存在した小銀河が数多く発見されたが、そこに宇宙第一世代の恒星は見つからなかった。最初の星はもっと前に形成されたようだ。

【2020年6月11日 HubbleSite

ビッグバン直後の宇宙に存在していた元素は水素とヘリウム(とごく少量のリチウム)だけで、宇宙で最初に誕生した「第一世代星(種族III)」はこれらの元素から形成されたと考えられている。こうした最初の恒星は極めて質量が大きかったと予想されているが、大質量星は寿命が短いため現在は存在せず、過去の(遠方の)宇宙にも第一世代星を含む銀河は確実には観測できていない。

ヨーロッパ宇宙機関のRachana Bhatawdekarさんたちの研究チームはハッブル宇宙望遠鏡(HST)を用いて、エリダヌス座の方向40億光年の距離にある銀河団「MACS J0416」を観測した。銀河団の膨大な質量が引き起こす重力レンズ効果を利用すると、銀河団の向こう側、さらに遠方にある天体の光が増幅されるので、重力レンズ効果がない場合に比べて10倍から100倍も暗い天体まで見つけることができるようになる。

銀河団MACS J0416
銀河団MACS J0416(提供:NASA, ESA, and M. Montes (University of New South Wales))

研究チームはNASAの赤外線天文衛星「スピッツァー」とヨーロッパ南天天文台の超大型望遠鏡(VLT)の観測データも用いて、MACS J0416の重力レンズを通してビッグバンから約5~10億年後の初期宇宙を覗き、第一世代星を探した。この際、新たな手法を開発し、重力レンズ効果を及ぼす手前の明るい銀河からの光を取り除くことにより、ビッグバン後10億年以内の若い宇宙で、従来HSTが観測できなかったほど質量の小さな銀河を探すことが可能となった。

観測の結果、低質量の暗い銀河が数多く見つかったが、それらのスペクトルはこの時代に既に水素やヘリウム以外の重元素が存在していることを示唆しており、第一世代星が残っていることを示す証拠は得られなかった。

一方で、今回の観測対象となった宇宙誕生後5~10億年は「再電離」が進行した時代と考えられている。ビッグバン直後の宇宙では元素が原子核と電子に分かれた電離状態だったが、宇宙が冷えると両者が結合して原子になっていた。その中から光を放つ天体が生まれた結果、そのエネルギーを吸収して星間物質が再び電離したのが再電離期である。Bhatawdekarさんたちは、今回見つかった小さな銀河が再電離を引き起こした主なエネルギー源なのではないかと考えている。

また今回の観測結果は、宇宙に最初の星や銀河が誕生した時代はHSTで観測可能な限界よりもさらに以前にさかのぼることを示唆するものである。宇宙最古の銀河をとらえるという課題は、2021年の打ち上げが検討されているHSTの後継機「ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST)」に委ねられることになりそうだ。

初期宇宙の想像図
低質量の暗い銀河が存在する初期宇宙の想像図(提供:ESA/Hubble, M. Kornmesser, and NASA)