天文学者たちは、宇宙初期の宇宙塵を、奇妙な形で発見した。

宇宙は塵の場所です。宇宙の粒子は、単一の大きな分子の大きさから、地球の砂粒より少し大きいものまでさまざまで、何光年もの幅を持つ渦巻く雲に蓄積されます。一般的な科学的理解では、塵は星や超新星によって何億年もかけて生成され、徐々に蓄積されます。塵は通常、成熟した銀河に付随するもの、少なくとも天文学者はそう考えていました。

しかし、水曜日にネイチャー誌に掲載された新しい論文によると、天文学者たちはビッグバンからわずか8億年後の若い遠方銀河で、炭素を多く含む特定の種類の宇宙塵を発見したという。この塵の蓄積は、塵形成に関する現在の理論が示唆するよりもずっと早い時期に起こった。この発見は、初期宇宙における星の誕生と銀河の進化、そして最終的には、その若い宇宙が今日私たちが知っている宇宙へとどのように成長したかについての天文学者の理解を変える可能性がある。

天文学者は長い間、宇宙の物質をソファーの下のホコリの塊のように扱い、厄介物として扱ってきた。科学者たちは宇宙の塵の巨大な雲の向こうを見ようとしたが、それは研究対象というよりはむしろ障害物のように扱われた。「ほとんどの天文学者がそれと関わる方法は、（塵は）観測しようとしている光の多くを吸収する、というものです」と、英国ケンブリッジのカブリ宇宙論研究所の博士研究員で、研究の筆頭著者であるジョリス・ウィトストック氏は言う。

しかし、近年、赤外線を使って雲を透視するNASAのジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡などの観測所のおかげで、状況は変わりました。科学者たちはまた、塵そのものの価値を認めるようになり、炭素、ケイ素、その他の物質のこれらの小さな粒子が、新しい星の形成など、宇宙における大規模なプロセスの原因であることに気付きました。

「例えば、天の川銀河には新しい星が生まれている場所があり、そこには非常に塵がまみれています」とウィトストック氏は言う。「そこには大きなガスと塵の雲があり、塵はガスを冷やして収縮させ、新しい星を形成するのに大いに役立っています。」

[関連: 毎年5,000トンの古代の「地球外塵」が地球に降り注ぐ]

初期の宇宙に塵がなかったわけではない。ウィトストック氏によると、以前の研究で、初期の宇宙の銀河に大量の塵が見つかっているという。天文学者がこの初期の塵に興味を持つのは、それが星が水素よりも重い最初の元素のいくつかを作り始めた時期を表しているからだ。

「最初に存在していた唯一の物質である水素をヘリウムに変換し始めた最初の星は、炭素や酸素のようなより重い元素でした」とウィットストック氏は言う。

巨大な原始星は、その寿命の終わりごろ、あるいは死ぬときに超新星爆発を起こしたときに、これらの重い元素でできた大量の塵を放出した可能性がある。

しかし、これまでの研究では、炭素質の塵（つまり炭素を豊富に含む塵）をこれほど初期の時期に検出することはできなかった。

「今回の発見は本当に新しいことです。私たちが見ている塵粒子の種類を正確に特定できるようになったのです」とウィットストック氏は言う。「私たちが実際に言えるのは、何かが、特に非常に短い時間スケールでこれらの炭素塵粒子を生成しているということです。そしてそこに驚きがあるのです。」

この発見は、天の川銀河内の地球に近い塵の分光観測によって可能になりました。分光法は光をスペクトルに分解し、さまざまな元素や化合物に関連する特定の波長で吸収された光の兆候を探します。これは、独特の虹を読み取るようなものです。

炭素質の塵は、スペクトルの紫外線領域に位置する波長 217.5 ナノメートルで分光学的な「隆起」を生み出します。少なくとも、数十億年前に塵が母銀河を離れたときの光の波長はそれです。

「宇宙が膨張する一方で、光はおよそ130億年かけて移動してきたため、その膨張とともに光は実際に引き伸ばされるのです」とウィットストック氏は言う。これは赤方偏移と呼ばれる現象だ。紫外線だった光はさらに引き伸ばされ、波長（約1.5～2マイクロメートル）が赤外線になり、JWSTが測定できるように微調整されているスペクトル部分になる。

「まさにそれが、これまでできなかった理由です」とウィットストック氏は言う。「JWST のおかげで、初めて赤外線で観測し、非常に正確な測定を行うことができるようになったのです。」

[関連: 物理学者が地球上でチタンの星屑を作るレシピを解明]

研究者たちは、宇宙で予想よりも早い時期にこの炭素質の塵を測定したが、今や、どのようなプロセスでそれが生成されたのかを解明しようとしている。ウィトストック氏によると、2つの理論があるが、どちらも完璧ではないという。

第一に、初期の銀河の超新星が塵を作り出し、死にゆく恒星が最後の炎の苦しみの前にその物質を放出するということである。しかし、そこで問題となるのは、超新星によって解き放たれた激しい力がその塵の多くを破壊する可能性もあるということだと彼は言う。

塵のもうひとつの源は、ウォルフ・ライエ星かもしれない。ウォルフ・ライエ星は、巨大で高温で、燃焼速度が速く、100万年以内にその質量の大部分を宇宙空間に放出する可能性がある。「しかし、ここでも、実際にどれだけの量の塵を生成できるかが問題です」とウィトストック氏は言う。「初期宇宙で私たちが目にしているものを説明するには十分でしょうか？」

ウィットストック氏と彼の同僚は、コンピューターシミュレーションでこれらの疑問に答えたいと考えている。理論家は、超新星とウォルフ・ライエ星のモデルを微調整して、JWSTの観測で見られる炭素質の塵を生成する条件を見つけようと試みることができる。

さらに、初期の銀河をさらに観測すれば答えが得られるかもしれない、と彼は言う。「例えば、それらの銀河の中にウォルフ・ライエ星が異常な数存在するという兆候を探し始めることができるかもしれない。」

初期宇宙における炭素質塵の生成の原因が何であれ、それが最近の宇宙の銀河がどのように進化したか、また恒星や惑星がどのように形成されたかを理解する手がかりとなるかもしれない。「塵は銀河の進化の鍵となる要素です」とウィトストック氏は言う。「塵がごく初期に形成された証拠がますます多く見られるようになったということは、この進化がこれまで考えられていたよりも急速に起こっている可能性があることを示しています。そして、それが後々、私たちが現在に至るまでの過程に連鎖反応を起こします。」