「宇宙の灯台」 – ウェッブが宇宙最初の光の秘密を明らかにする

先駆的なジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の観測により、初期宇宙の再電離における低質量銀河の極めて重要な役割が明らかになり、既存の宇宙進化理論に疑問が投げかけられました。

NASA のジェームス ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) のデータを使って研究している科学者たちは、宇宙で最も古い星の光の一部について、初めて完全なスペクトルを取得しました。 これらの画像は、ビッグバンから 10 億年も経たないうちに形成された、非常に低質量の新生銀河のこれまでで最も鮮明な画像を提供し、若い銀河が宇宙の起源の物語において中心的な役割を担っていることを示唆しています。

ペンシルベニア州立大学の天体物理学者2名を含む国際研究チームは最近、研究結果を雑誌に発表した。 自然。 このスペクトルは、最初の星や銀河の到着によって促進された、再電離として知られる宇宙の期間からの最初の可視光の一部を明らかにします。

NASAのジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が撮影した深視野画像から、非常に暗い銀河が初めて垣間見え、研究者らは宇宙の再電離を引き起こす天体の強力な候補として特定した。 画像出典: Hakim Atiq/ソルボンヌ大学/JWST

原初の宇宙: 闇から光への移行

宇宙の通常の物質は、ほぼ完全に水素とヘリウムの原子核からなる高温の濃霧として始まったと、ペンシルベニア州立大学の天文学と天体物理学の助教授であり、この論文の著者でもあるジョエル・ライガ氏は説明する。 膨張して冷却されると、個々の陽子と電子が結合し始め、初めて中性の水素が形成されました。 約5億年から9億年後 大爆発初期の宇宙に広がっていた中性水素は再びイオン化したガスに分離し始め、星や銀河の形成を刺激し、原始の霧を取り除き、初めて光が妨げられることなく宇宙を通過できるようになりました。

「何かが引き起こされて、銀河間の隙間に非常に高エネルギーの光子が送り込まれ始めた」とライガ氏は語った。 「これらの発生源は、中性水素の霧を焼き尽くす宇宙の標識のように機能しました。それが何であれ、非常にエネルギーがあり持続性があったため、宇宙全体が再びイオン化されました。」

銀河の先駆者: 低質量銀河の役割

科学者らは、小型低質量銀河のスペクトルを分析することにより、小型銀河が、周囲の高密度の原始ガスを加熱し、以前は中性だった水素をイオン化することによって宇宙を再電離させる「物体」の有力な候補であることを実証した。

「宇宙の他の低質量銀河がこれらと同じくらい一般的で活発であるならば、我々はついに宇宙の霧を焼き払う標識に到達したと考えます」とライガ氏は語った。 「それらは、非常に多くの小さな銀河で信じられないほど活発な星でした。」

レイヤ教授は、初期宇宙の銀河の大部分は比較的小さいと予想されており、そのため銀河の周波数と性質を研究するのは非常に困難だと付け加えた。 ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の感度と、宇宙拡大鏡のように機能し、空間を歪め、背景銀河の光を増幅する近くの銀河であるアーベル星団 2744 の重力レンズ効果とのユニークな組み合わせによって可能になった技術的進歩のおかげで、それは可能になりました。宇宙で初めて、小さな銀河の存在量とその電離特性を 10 億年にわたって測定できるようになりました。

ソルボンヌ大学の天体物理学者であり、パリ天体物理学研究所の研究者であり、論文の筆頭著者でもあるハキム・アティク氏は、「この宇宙の再電離の時代には、小さな銀河の数が巨大な銀河の数を約100対1も上回っていることがわかった」と述べた。とプレスリリースで述べた。 「これらの新しい観測は、これらの小さな銀河が、遠方の銀河で通常想定されている基本値の4倍を超える大量の電離光子を生成したことも明らかにしています。これは、これらの銀河が放出する電離光子の総束が必要な閾値をはるかに超えていることを意味します」再イオン化のために。」

宇宙の進化の図表: 将来の方向性

ペンシルベニア州立大学のチームは UNCOVER 調査のモデリングを主導し、より小さく、より遠くにある銀河を画像化した前景の大きな銀河団をターゲットにしました。 ペンシルベニア州立大学の研究者らは、スキャン内のすべての小さな光点を分析し、物体の特性、質量、推定される距離を理解しました。 この分析は、この発見につながったより詳細な JWST 観察のガイドとして使用されたと Lija 氏は説明しました。

これらの結果が得られる前には、超大質量ブラックホールなど、宇宙の再電離の原因となる他の発生源を特定する多くの仮説がありました。 太陽質量10億個以上の質量を持つ大きな銀河。 そして、質量が10億太陽質量未満の小さな銀河もあります。 研究者らは、低質量銀河に関する仮説を確認することは、その明るさが低いため特に困難であることが証明されていると述べたが、新たな結果は、低質量銀河が宇宙の再電離に中心的な役割を果たしているというこれまでで最も明確な証拠を提供するものであると述べた。

研究者らは現在、研究をより大規模に拡大して、分析した特定の場所が宇宙の銀河の平均的な分布を表していることを確認したいと考えている。 彼らの観察は、再電離プロセスを超えて、初期の星形成のプロセス、銀河がどのようにして原始ガスから発生し、どのようにして今日私たちが知っている宇宙に進化したのかについての洞察を提供します。

参考文献: 「宇宙を再電離した光子のほとんどは矮小銀河から来たものである」Hakim Atiq、Ivo Lappé、Lukas J. セドナ H. プライス、プラティカ ダヤル、アディ ジトリン、ヴァシリー ココレフ、ジョン R. ウィーバー、ガブリエル ブラマー、ピーター ヴァン ドックム、クリスティーナ C. ウィリアムズ、サム E. カトラー、ロバート フェルドマン、札本義信、ジェニー E. グリーン、ジョエル・レイジャ、マイケル V. マセダ、アダム ムジン、リチャード パン、ケイシー パポビッチ、エリカ J. ネルソン、テミア ナナヤッカラ、ダニエル B. スターク、マウロ ステファノン、キャサリン A. サス、ビンジ・ワン、​​キャサリン E. ウィテカー、2024 年 2 月 28 日 自然。
土井: 10.1038/s41586-024-07043-6

天体物理学の博士研究員である Bingyi Wang 氏は、ペンシルバニア州立大学の研究論文のもう 1 人の共著者です。 著者とその機関の完全なリストは、出版された論文で入手できます。 研究者らは、フランス国立宇宙研究センター、国立宇宙論・銀河計画、CEA、コズミック・ドーン・センター、デンマーク国立研究財団、オーストラリア研究評議会、NOW、ロザリンド・フランクリン・プログラムからの資金提供と支援を認めている。欧州委員会共通基金とフローニンゲン大学。 米国イスラエル国立科学財団、米国国立科学財団 (NSF)、イスラエル科学技術省、および ノワールラボNSF との協力協定に基づいて、天文学研究大学コンソーシアムによって管理されています。