爆発する星はビッグバン後になぜあんなに明るかったのかを説明できるかもしれない

宇宙では、銀河の明るさは一般的にその質量によって決まる。しかし、いくつかの新しい研究は、質量の小さい銀河が実は大きい銀河と同じくらい明るく輝く可能性があることを示唆している。不規則で明るい星形成の爆発により、若い銀河の中には、見かけ以上に大きく見えるものがある。この新しい発見は、10月3日にアストロフィジカル・ジャーナル・レターズ誌に掲載された研究で詳細に説明されている。

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2022年にジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）が初めて公開した恒星の画像には、少々困惑する点もあった。一部の天文学者にとって、若い銀河は、ビッグバンの直後に形成されたにしては、明るすぎ、大きすぎ、成熟しすぎているように見え、まるで幼児がわずか数年で大人に成長したかのようだった。

「これらの銀河の発見は大きな驚きでした。予想よりもかなり明るかったからです」と、研究の共著者でノースウェスタン大学の天体物理学者クロード・アンドレ・フォシェ・ジゲールは声明で述べた。「通常、銀河は大きいので明るいのです。しかし、これらの銀河は宇宙の夜明けに形成されたため、ビッグバンから十分な時間が経過していません。これらの巨大な銀河はどのようにしてこれほど急速に形成できたのでしょうか？私たちのシミュレーションは、銀河が宇宙の夜明けまでにこの明るさを形成することに何の問題もないことを示しています。」

宇宙史において「宇宙の夜明け」と呼ばれる期間は、ビッグバン後約 1 億年から 10 億年まで続き、宇宙で最初の星と銀河が形成された時期として特徴づけられます。

「JWSTは宇宙の夜明けについて多くの知識をもたらしました」と、研究の共著者でノースウェスタン大学の天体物理学者グオチャオ・スン氏は声明で述べた。「JWST以前は、初期宇宙に関する知識のほとんどは、ごく少数の情報源から得たデータに基づく推測に過ぎませんでした。観測能力が大幅に向上したことにより、銀河の物理的詳細を見ることができるようになり、その確固たる観測証拠を使って物理学を研究し、何が起きているのかを理解できるようになりました。」

研究チームは、高度なコンピューター シミュレーションを使用して、ビッグバン直後の銀河の形成過程をモデル化しました。ノースウェスタン大学の相対論的環境のフィードバック (FIRE) プロジェクトの一環として、このシミュレーションでは天体物理学の理論と高度なアルゴリズムを組み合わせて、銀河の形成過程をモデル化します。これらのモデルにより、研究者は質量、エネルギー、運動量、星から返される化学元素を考慮しながら、銀河がどのように成長し、形を変えるかを観察できます。

「鍵となるのは、短時間でシステム内で十分な量の光を再現することです」とサン氏は言う。「これは、システムが非常に巨大であるか、大量の光を素早く生成する能力を持っているかのどちらかによって実現します。後者の場合、システムはそれほど巨大である必要はありません。星形成がバースト的に起こると、閃光を発します。そのため、非常に明るい銀河がいくつか見られるのです。」

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研究のシミュレーションでは、JWST が観測したものと同程度の明るさの銀河が生成された。また、宇宙の夜明けに形成された初期の銀河には、バーストで形成された星があった可能性が高いこともわかった。これはバースト星形成と呼ばれる概念で、星が交互に形成されるパターンである。一度に多数の星が形成され、その後数百万年にわたってほとんど星が存在しない状態が続き、その後、再びバーストで星が形成される。比較すると、私たちの天の川銀河は、安定した速度で非常に異なるパターンの星形成をたどった。

フォシェ＝ジゲール氏によると、バースト的な星形成は特に低質量銀河でよく見られる。しかし、なぜこれが起こるのかという詳細は、まだ他の研究の課題となっている。この研究チームは、最初のバースト的な星形成が数百万年後に超新星として爆発するときに起こると考えている。ガスは放出され、その後再び内側に落ちて新しい星を形成し、サイクルを再び開始する。

銀河が十分に巨大になると、重力は著しく強くなります。そのため、超新星が爆発しても、星系からガスを放出するほど強くはなく、重力が銀河を結びつけます。その結果、より安定した状態になります。

「銀河の光のほとんどは、最も質量の大きい星から来ています」とフォシェ＝ジゲール氏は声明で述べた。「質量の大きい星はより速い速度で燃えるため、寿命が短くなります。核反応で燃料を急速に使い果たします。そのため、銀河の明るさは、銀河全体の質量よりも、過去数百万年間にどれだけの星が形成されたかに直接関係しています。」