天文学者が死ぬはずの数十億年後に「一番星」を発見

何十億年にもわたって、宇宙は着実に進化してきました。宇宙の膨張のおかげで、私たちは時間を遡ってその進化をほぼ最初から「見る」ことができます。しかし、宇宙がどのように機能するべきかについての現在の理解に当てはまらないものを時々目にします。

これは、年に発表された新しい論文で説明されている銀河の場合に当てはまります。 天体物理学ジャーナルレター 博士による清華大学天文学部の学生Sijia Caiとその同僚。彼らは、約110億年前に形成された「金属を含まない」ように見える銀河を発見した。これは、この銀河にとらえどころのない第一世代（ポップIII）星が含まれている可能性があることを示している。

発見自体に入る前に、いくつかのコンテキストが必要です。集団 III (ポップ III) 星は、宇宙の歴史の初期に形成された第一世代の星であると考えられています。重要なのは、それらには本質的に「金属」（宇宙論的な用語ではヘリウムと水素以外の元素を意味する）が含まれていないことです。これらのより重い元素は星自体（または星が作る超新星）内でのみ形成できるため、定義上、第一世代の星にはそれらを含むことはできません。

宇宙学者たちは、これらのポップIII星の例を何十年も探してきましたが、これまでのところ見つけることができませんでした。通常、彼らは再電離の時代として知られる宇宙の歴史の時期を探索します。再電離の時代は、宇宙が非常に若く、最初の星自体が形成され始めていたと考えられるビッグバンから 10 億年後までに起こりました。

したがって、再電離時代より約 20 億年後に出現した銀河を発見したときの著者の驚きを想像してみてください。その時点までに、多くの星が生きては消え、その残骸が近くのガスや塵の雲、あるいは他の星そのものに、自らが作り出した金属を「感染」させているはずだ。少なくともそれが理論だった。

しかし、著者らは、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST)、超大型望遠鏡 (VLT)、およびすばる望遠鏡によって収集されたデータを使用して、MPG-CR3 (または略して CR3) と呼ばれる銀河を特定しました。この銀河のスペクトル特徴は、その時代の他のすべての銀河の中でも独特でした。非常にきれいな水素とヘリウムのラインがあり、特にそのスペクトル特徴には酸素などの「金属」がほぼ完全に欠如していました。実際、銀河内の星の金属量の上限は、太陽の金属量の 0.7% です。

さらに興味深いことに、銀河自体の年齢は約 200 万年しかないようで、銀河の基準からすると比較的若いことになります。数十億年前に形成されたにもかかわらず、私たちがこのような若い年齢で見ることができるのは、時空の拡大のおかげです。 CR3 はまた、比較的「塵が少ない」ようで、特にこのような古代の銀河としては比較的小さな星を持っています。コズミック・ヌーンのほとんどの銀河には、私たちのものと比較して超大質量の星があります。

通常、Pop III 星の検出の重要な部分であると考えられている CR3 のデータには欠けている重要な特徴、つまりヘリウム II (He II) 輝線があります。この重要な線は、検出できるはずの VLT スペクトル データには表示されませんが、著者らはその理由について 2 つの説明を提示しています。まず、データのその部分には別の発生源からの強い「OH」輝線がすでに存在しており、これにより He II 信号が打ち消されます。あるいは、星形成後わずか数百万年で振幅が大幅に低下するため、He II 信号自体が消滅した可能性もあります。

したがって、初期世代の星が数十億年前に形成されると予想されていた場合、この特定の銀河はどのようにして数十億年前に形成された星からの金属の「汚染」を回避し、宇宙の進化の遅い段階で「原始的な」星を得ることができたのかという疑問が残ります。著者らは、それは間隔に関係があると考えています。本質的に、CR3 は宇宙の空のポケットに座っています。

専門用語では、これは「過密領域」と呼ばれ、CR3が以前に作られたガス雲が崩壊して星を形成し始めた時点では、活動的な星が存在する周囲の領域からの金属はまだそこに到達していなかったという論理になります。 CR3 は近隣の星から遠く離れて独自に活動しており、その孤立により、宇宙の他の部分で起こっていることとは別に、独自の第一世代の星を形成することができました。

これが史上初めて発見された Pop III 銀河であることを確認するには、さらなるデータがまだ必要です。しかし、もしそれが確認されれば、科学者にとっては大きな恩恵となるだろう。なぜなら、これらの興味深い星で満たされた銀河が当初の発見よりもはるかに近くに存在することで、それらの研究がずっと容易になるからである。今後の研究で He II 線が確認されたり、それが目立たない理由の確実な説明が得られれば、宇宙学者はこの若い銀河、しかし非常に古い銀河の研究に多くの時間を費やすことになるでしょう。