若い銀河が泡を吹き、初期宇宙を変えた

宇宙は日常的な視点から見ると何もないように見えるが、銀河間の広大な何もない空間は、実際には極薄のガスのようなもので満たされている。これは、少量の陽子と電子、そして少量のより珍しい元素である。実体のないこの宇宙物質は、宇宙の歴史の中で2度にわたって完全に生まれ変わった。そして研究者たちは、2度目の変身がどのように起こったのかを初めて具体的に観察した。この研究は、初期の星々がいつ宇宙に現在の形を与えたのかを解明する一歩となる。

「これは現時点では分からないことの一つだ」と、この研究には関わっていないカリフォルニア大学サンタクルーズ校名誉教授のガース・イリングワース氏は言う。

最初の変身はビッグバンから数十万年後、宇宙の陽子と電子が冷却されて水素原子に分裂したときに起こった。この時点で、ビッグバンの残光の中のほとんどの色の光は、視界を遮る妨害粒子にぶつかることなく自由に移動できるようになり、宇宙はほぼ透明になった。しかし、これらすべての電子と陽子のペアは、遍在する水素の霧を形成し、特定の紫外線色が透過するのを防いだ。しかし、数億年の間、それは問題ではなかった。星がなければ暗闇が支配していたからだ。

2 度目の変革は、巨大な星々が誕生したときに始まりました。それは、私たちの太陽に比べれば怪物のような存在でした。最初の銀河を形成した後、星々は「宇宙の暗黒時代」を終わらせ、空虚を光で満たし、宇宙の物質全体を再び変革しました。

これらの銀河からの猛烈なエネルギーの光が暗闇の奥深くまで浸透するにつれ、遭遇した水素原子は引き裂かれ、今日の宇宙を満たす透明な陽子電子物質で満たされた領域が残されました。この透明化はいつ始まったのでしょうか? 銀河はどのくらいの速さで周囲の空間を広げたのでしょうか? 十分にはわかっていませんが、木曜日にハワイで開催されたアメリカ天文学会の会議で、天文学者たちは、周囲に透明な空間の泡を膨らませ、水素の霧を押し戻している3つの銀河の初めての観測結果を発表しました。

「泡が比較的稀だった時期に、その発生現場を捉えることができて興奮しています」と、今回の研究に携わったアリゾナ州立大学の天文学者サンジータ・マルホトラ氏は言う。

このいわゆる「宇宙の夜明け」からのかすかなちらつきを見つける鍵は、空を深く見上げて特定の色の紫外線、ライマンアルファ線を探すことです（より遠い銀河からの光は、地球に届くまでに長い距離を旅しているため、過去の様子を見ることができます）。このタイプの光波は水素の霧を通過できないため、初期の豆のスープの中にある星や銀河は見えません。しかし、特にこれら3つの銀河は、ライマンアルファ光が逃げ出すのに十分な大きさの泡を取り除き、現在のアリゾナ州キットピーク国立天文台で終わる旅に出発しました。ハッブル宇宙望遠鏡とハワイのケック天文台による入念な追跡観測により、天文学者がこれらの最も初期の宇宙のビーコンを発見したことが確認されました。

「これらの銀河は暗いため、長時間にわたる詳細な観測が必要でした」とマルホトラ氏は言う。「131億光年以上も離れているのです。」

EGS77 と名付けられたこの 3 つの星は、ビッグバンからわずか 6 億 8000 万年後に輝いていた (宇宙の 138 億年の歴史を 1 暦年に圧縮すると、1 月中旬には活動していたことになる)。機器で直接この泡を検出することはできないが、EGS77 からのライマン アルファ色の光が地球に届くという事実は、この泡が存在していたに違いないことを証明している。

研究チームは、3 つの銀河のうち最大の銀河が直径約 300 万光年の空間を空にして泡を作り、それが重要なことに、より暗い銀河の泡と重なり合っていると計算した。より多くの霧が集合的に空になったことで、それらの光は、通常よりも明るく輝くようになった。「より大きな銀河が大きな泡を作り、より小さな銀河がそれを利用している」とイリングワース氏は言う。

以前にも、より古い銀河が発見されているが、ライマンアルファ色でこれほど明瞭に輝くものはなかった。これは、それらの若い銀河がまだ大きな泡を吹き出していなかったことを示している可能性がある。

EGS77 の近隣の天体も、その地域から水素ガスを一掃し、すべての泡が融合して、宇宙全体の水素ガスが永久的に変化したと考えられます。マルホトラ氏は、チームの研究を、遠くの霧に包まれた丘でキャンプをする人たちが火を焚く様子に例えています。最初はかすかな光しか見えませんが、やがて十分な数の火が霧を溶かし、丘全体が晴れ渡ります。

「最初の10億年という時間枠で何かをするのは大変な作業です」とイリングワース氏は言う。「彼らはこの分野とこの領域に対する私たちの理解への貢献に対して大きな称賛を受けるに値します。」

マルホトラ氏は次に、もう少し近い（したがって、もう少し最近の）銀河を探しているという。この時点で、宇宙の水素の霧は、場所によってはまだ濃いかもしれないが、消えつつあるはずだ。これらの銀河からのライマンアルファ光がどれだけよく透過するかを観測することで、天文学者は最初の星がどれだけ効率的に宇宙を変えたかを測定することになる。近々打ち上げられるジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）による観測は、この取り組みを大いに支援するだろう。

「JWSTは、宇宙の最初の10億年間に何が起こっているのかを明らかにする上で本当に大きな違いを生み出すものとなるでしょう」とイリングワース氏は言う。