宇宙がどれだけ明るいかついにわかった

地球は人々の喧騒でかすかに輝いている。遠くからでは個々の家や都市さえも見分けることはできないが、スポットライトや街灯が時間の経過とともに放出する光子の集合を追跡することで、技術文明の発達を大まかに把握できるかもしれない。そして、すべての照明が消え始めたかどうかもわかるかもしれない。

同じことが宇宙全体にも当てはまります。

星は究極の電球であり、その光線の一部は塵の粒子に落ちて行き止まりになるが、残りはそのまま逃げ出す。宇宙は冷たく暗いことで知られているが、銀河間の比較的空虚な空間では、逃げ出した光の粒子が集まってあちこちに拡散したきらめきを生み出している。この輝きは、星や銀河を一つずつ数える手間をかけずに、宇宙に何があるのか​​を教えてくれる。素粒子物理学のツールを借りて、国際的な天体物理学者チームが、宇宙のすべての星の集合的な輝きであるこの光をこれまでで最も正確かつ広範囲に測定しました。

木曜日にサイエンス誌に発表された研究結果は、宇宙の歴史のほとんどを網羅する壮大な物語を語り、従来の天文学者には見えなかった宇宙の最初の10億年のベールにまで迫るものだ。「このような測定が可能になるとは思ってもみませんでした」とクレムソン大学の天体物理学者で研究チームのリーダーであるマルコ・アジェロ氏は言う。

事情通が言うところの「銀河系外背景光」を見つけるには、ただ望遠鏡を黒い空に向けて光子を数えるだけではだめだ。地元の太陽光線と本当に外部からの光線を区別する方法がないからだ。その代わりに、研究チームは何百もの宇宙の偶然を利用した。

ほとんどの銀河の中心には巨大なブラックホールがあり、最も巨大なブラックホールのいくつかは、想像を絶するほど激しいガンマ線のジェットを宇宙空間に吹き飛ばします。その範囲は太陽系よりも小さいですが、その範囲から銀河全体と同じ量のエネルギーが放出されています。これらのジェットが地球にまっすぐ向いている場合、天文学者はそれをブレーザーと呼びます。ブレーザーは自然界で最も強力な粒子加速器の 1 つであり、NASA のフェルミ宇宙望遠鏡は人類最高のガンマ線検出器の 1 つです。

「フェルミと私たちの研究のおかげで、高エネルギー物理学と古典天文学という2つの異なる分野を融合できるようになりました」と、スペインのマドリード・コンピュテンセ大学の天文学者で共著者のアルベルト・ドミンゲスは言う。

研究チームは、700 個以上のブレーザーと 1 つのガンマ線バーストからの光を含むフェルミの 9 年分のデータを解析し、ガンマ線は移動するにつれて弱くなり、霧を切り裂くヘッドライトのように宇宙を満たす背景光を突き抜けていくことを発見しました。霧が濃くなるほどヘッドライトは暗くなるため、近くのブレーザーと遠くのブレーザーを比較すると、干渉する背景光の明るさが明らかになりました。また、ガンマ線がここに到達するのに数十億年かかったため、研究チームは過去を通じて現れた背景光も見ることができました。「かなり遠いところまで遡ることができ、これは本当に画期的なことです」とドミンゲス氏は言います。「宇宙の歴史の 90 パーセントをカバーすることができました。」

当然のことながら、これまでのすべての銀河は、長い年月をかけてかなりの量の光子を宇宙空間に吐き出してきたが、その光はそれほど明るく輝いているわけではない。地球上のすべての照明を消し、天の川銀河のすべての星を瞬きで消したとしても、空は真っ暗にはならないだろう。アジェロ氏によると、2.5マイル離れたところから見た60ワットの電球の明るさで輝くだろう。その暗さは、宇宙論における古典的なパラドックスを物語っている。見渡す限り星があるのに、なぜ夜空はいつもまばゆいばかりに明るくないのか？現代の宇宙学者、そしてどういうわけかこの謎を最初に解いたエドガー・アラン・ポーによると、その答えの一部は、宇宙の爆発的な膨張によって光が空間に広がるにつれて薄まったということだ。

そして、銀河が膨​​張する暗闇を照らそうと奮闘するなか、その結果生まれたささやかな光が、宇宙の長年にわたる活動を追跡してきた。ドミンゲス氏は、この新たな測定によって、宇宙の隠された起源から膨張による未来までの謎が明らかになることを期待しているが、まずは、中間の130億年余りに関する議論に決着をつけることに研究チームは焦点を当てた。星や銀河の誕生の物語で、私たちは主要な登場人物を見逃していないだろうか？

星形成に関する過去の研究では、宇宙の奥深くをのぞき込み、寿命が短く死ぬ傾向のある巨大な星からの紫外線を測定していたが、これらの調査で暗すぎて見えない銀河が見逃されていないとは誰も確信できなかった。しかし、宇宙の霧はどんなに小さな銀河でもすべての銀河からの光を表しており、チームが再構築したタイムラインは、一般に受け入れられている弧を裏付けるまったく新しい一連の証拠を提供している。星は最初はゆっくりと形成され、その後どんどん速くなり、ビッグバンから約30億〜40億年後にピークに達し、その後、星の材料がなくなり銀河が離れるにつれて衰退した。現在、天の川銀河は1年に約7個の新しい星を生み出しているため、宇宙が生まれたばかりの頃の同様の銀河は70個から80個の星を生み出していた可能性がある。「私たちの宇宙はクリスマスツリーのように明るく輝いていました」とアジェロ氏は言う。

新たな結果には、塵粒子に当たって赤外線の熱として再放射された光（背景光のエネルギーの約半分を占める）は含まれていないが、ドミンゲス氏は、星形成の再構築においてこの盲点を考慮したと述べている。

アジェロのチームは、銀河間の宇宙の霧を調査する最初のチームではない。彼らの研究は、数十年にわたる理論的推定と、地上および宇宙の両方での光子の直接捕捉の試みに基づいている。しかし、太陽からの光が地元の塵粒子に反射して、背景光の 100 倍もの数になる状況では、まるで真昼にホタルを狩るようなものだった。「銀河から脱出しなければなりません」と、アジェロのチームのメンバーではないが、測定の基礎となる理論の構築に携わったサンタクルーズ大学の宇宙学者ジョエル・プリマックは言う。「どうやって銀河から脱出するのでしょうか。その答えは、このガンマ線です」

ガンマ線との干渉による霧の測定は、近年のブレーザーに関する理解の深まりによって初めて可能になった。ドミンゲス、アジェロ、その他多くの研究者は、2012年にフェルミのデータを使用してこのアイデアが実現可能であることを証明したが、今回の研究では、より広範囲のソースとアップグレードされたソフトウェアを使用して、ビッグバン後の40億年から究極の目標である最初の10億年まで遡っている。「私たちは常に、見えないところを見たいと思っています」とアジェロは言う。

この時代は現代の天文学者には知られていない。なぜなら、水素原子の厚いもやが光の動きを遮っていたからだ。宇宙学者たちは、宇宙を透明にした紫外線を発していたのがいったい何だったのか、たとえば星の輝く銀河なのか、ブラックホールのジェットなのか、疑問に思っている。フェルミは、議論に決定的な決着をつけるほど遠くのブレーザーを分解することはできないが、研究チームの背景光の測定によって、星の輝く銀河が候補に残っている。

アジェロ氏は、より遠くで、しかもより短時間で起こるガンマ線バーストを捉えることで、この初期の時代をさらに遡ることができると期待している。「ガンマ線バーストがまだ明るいうちに、非常に素早く大型の光学望遠鏡を回転させる必要があります」と同氏は言う。「それは壮観な光景になるでしょう」