天文学者はすでにジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のデータを使って謎の銀河を探し出している。

ハーバード大学のローハン・ナイドゥ氏が銀河を見たとき、彼が最初にしたのは、共同研究者でスイスのジュネーブ大学の宇宙論教授であるパスカル・オエシュ氏にメッセージを送ることだった。次に彼がしたのは、ガールフレンドに電話することだった。

「『おそらく史上最遠の銀河を見る2人目の人間になりたいですか？』」とナイドゥは彼女に尋ねたことを覚えている。彼女はそれを見て、「ちょっと期待外れ」と感じ、テレビを見に戻ったと彼は言う。「でも彼女は納得したんだ」と彼は笑いながら言う。

問題の銀河候補である GLASS-z13 は、素人目には大したことには見えません。ただの赤い光の斑点です。しかし、その控えめな見た目こそが、GLASS-z13 がナイドゥ氏の注目を集めた理由です。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) の視点から見ると、135 億年前に存在し、人間の検出能力の限界に近い銀河のように見えるとナイドゥ氏は予想しています。

先週、JWST の最初のデータが公開された後、ハーバード大学およびスミソニアン天体物理学センターの博士研究員であるナイドゥ氏は、起きている時間はすべて、これまでに検出された中で最も遠い銀河を探すためにデータの選別に費やしました。睡眠時間は多くありませんでしたが、努力は報われました。

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ナイドゥ氏は7月19日、世界中の協力者とともに、専門家によるレビューに先立ち、そうした候補銀河2つについて記述した論文をオープンアクセスプラットフォームarXivに投稿した。ナイドゥ氏は、そのうちの1つが約135億歳であると推定しており、これはこれまで発見された中で最も遠い銀河となる。つまり、GLASS-z13という系は、138億年前に起こったと考えられているビッグバンから3億年ほど早くから存在していたことになる。そのため、GLASS-z13は天文学者に、宇宙の初期についてこれまでに見たことのない視点を提供している。そして、すでに最古の銀河に関する既存の考えに疑問を投げかけている。

「自分の目が信じられませんでした」とナイドゥ氏は、JWSTデータで初めてGLASS-z13を見たときのことを語る。彼はすぐにそれが明るくて鮮明であることに気づき、ちょっとした驚きを感じた。「宇宙はとても若いのに、これらのものは何らかの成長を遂げて、こんなに早くこんなに明るく巨大になったのです。」

ナイドゥ氏は、GLASS-z13 を「候補」銀河と表現することに慎重だ。JWST の最初のデータを使ったチームの分析は、その後の観測によってまだ検証される必要があるからだ。しかし、ナイドゥ氏がこの研究を arXiv にアップロードしたのと同じ日に、別の研究チームが独立して同じ銀河候補について記述したレポートを投稿した。そのレポートでは、これらの銀河がこれまで観測された中で最も遠い銀河であるとも述べられている。

「2つの独立したグループがそれを確認すれば、それは自信につながります」と、どちらの論文にも関わっていないイギリスのリバプール・ジョン・ムーア大学の天体物理学者、レンスケ・スミット氏は言う。それでも、「これらの銀河が宇宙の非常に初期に形成されたという明確な確認が必要だと思います」と彼女は言う。

スミット氏によると、その確認は、GLASS-z13から発せられる光のスペクトルをより詳しく調べる、今後のJWST観測によって得られるだろうという。

ナイドゥ氏と彼の同僚は、まず、その空の一部を複数の異なる赤外線波長で観察して、銀河候補までの距離を決定した。光が時空を移動すると、波長は引き伸ばされて長くなる。そのため、その光はより赤く見える。これを「赤方偏移」という。はるか遠くにある銀河は、近くにある同様の銀河よりも赤く見える。科学者たちは、GLASS-z13 からの光がどの程度移動したかを推定することで、光がどのくらい移動したかを推定した。

JWST は、夜間用ゴーグルのように、光のより長い赤外線波長にある微弱な熱のサインを捉えるように設計されています。しかし、それは望遠鏡が古い銀河、死んだ銀河、または死につつある銀河も発見することを意味します。これらの銀河は若い銀河よりも冷たいため、近くにあってもかなり赤く見えることがあると、この新しい論文には関わっていないランカスター大学の天体物理学准教授、ブルック・シモンズ氏は言います。しかし、シモンズ氏は、研究著者らはこれを説明するために「妥当な仕事をした」と考えています。もしこのシステムが「宇宙の中年期の部分」からのものであれば、私たちはまだそれをより短い波長の [光の] 帯で見ることができるはずですが、私たちはそれを見ていません」とシモンズ氏は言います。

しかし、GLASS-z13 の赤さは、銀河候補が非常に遠くにあることを示すナイドゥ氏の唯一の手がかりではなかった。彼はまた、何かが欠けていることにも気づいた。最も青い光子だ。

ナイドゥ氏は、宇宙のごく初期には「中性水素の海」が最も濃い青色の光子を吸収し、より赤い波長の粒子だけが残ったと説明する。そして、失われた光子は水素が吸収する光子に対応しており、JWSTがGLASS-z13から観測した光が、宇宙の最も初期の部分から発せられたものであることを示唆していると同氏は言う。

ナイドゥ氏と同僚たちは、すでに JWST で時間を確保し、推定値を確認するために必要な追加観測を行うべく作業を進めている。次の観測では、GLASS-z13 から発せられる光のスペクトルの特定の部分を観察する。これにより、候補銀河の赤方偏移をより正確に測定できるようになる。

GLASS-z13 の特性は、宇宙の初期を研究する天体物理学者にとってすでに新たな疑問を提起しています。第一に、その驚くべき明るさと質量が科学者の注目を集めています。科学者の推定によると、その質量は太陽の約 10 億倍です。

「どうやってこんなに早くすべての星をそこに集めたのでしょうか？ 銀河が十分に大きく、明るくなるほどの星が十分に集まるには時間がかかるのではないかと考えています」とスミット氏は言う。「ですから、星の形成は私たちが考えていたよりも早く始まるか、あるいはこれらの銀河が何らかの方法で非常に速く星を形成するのかもしれません。まだよくわかっていません。」

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ナイドゥ氏は、いくつかの科学的モデルでも、このような銀河は極めて稀であると予測されていたと語る。「しかし、ここでは、互いにそれほど離れていない2つの銀河を発見したのです。」

ナイドゥ氏の論文で説明されているもう一つの銀河候補「GLASS-z11」は、地球からの距離がGLASS-z13よりわずかに近いと思われる。また、興味深い詳細も付け加えている。それは、渦巻き状の円盤形成へと移行する兆候を示しているということだ。

「円盤銀河がこんなに早く形成されるとは予想していませんでした」とシモンズ氏は言う。「数億年というのは非常に短い時間です。私たちの多くは、乱流や混沌、そして少しだけ質量が大きく重力が少し強い領域に多くの物質が集まり、周囲のすべてを飲み込んでしまうと予想していました。必ずしも、一貫して回転する円盤を形成するために必要な秩序だった構造ではありません。」

JWST からの最初のデータから約 1 週間後のこの発見は、ほんの始まりに過ぎません。「これらは最初の星や銀河ではありません」とスミット氏は言います。「今後数年間で、記録破りの銀河がさらにたくさん見つかるでしょう。さらに遠く、もっと古い、ビッグバンに近い時期に形成された星々が見つかると思います。」

訂正（2022年7月22日）：パスカル・オエシュ氏が現在イェール大学ではなくジュネーブ大学に在籍していることを反映するように記事を更新しました。