JWST の不可解な初期銀河は宇宙論を壊さない — しかし、天体物理学を曲げる

2021年12月の打ち上げ後、宇宙に巨大な赤外線の目を開いて以来、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）は、宇宙のごく初期にまで遡る明るい銀河の衝撃的な大量発見を発見した。 星の数とそれによる質量の代用となるその明るさは非常に不可解である。なぜなら、このような宇宙初期には銀河にはこれほど大きくなる時間が十分になかったはずだからである。 異国の地を訪れ、その地の幼児の多くが十代の若者と同じくらいの体重であることに気づいたところを想像してみてください。 あなたも疑問を抱いているかもしれません。これほど大きな子供が生まれる原因は、何か原因があるのでしょうか、それとも、人間の成長に対するあなたの認識が根本的に間違っているのかもしれません。 JWST の大きくて明るい初期の銀河について考察した理論家もほぼ同じように感じていました。私たちの宇宙論の理解に何か根本的な間違いがあったのでしょうか? つまり、ビッグバン後の宇宙の膨張に関する私たちの知識は単に間違っていたのでしょうか？

その答えは、それほど劇的である必要はないようです。

これらの初期銀河のいくつかを調査したいくつかの研究は現在、物理学を打ち破る結果よりも、初期に形成されたブラックホールや星形成の爆発など、予期せぬ周囲の天体物理学的説明を指している。 テキサス大学オースティン校の宇宙学者マイク・ボイラン・コルチン氏は、「ほとんどの人は今すぐ天体物理学の解明に資金を投じるだろう」と語る。 「私もそのカテゴリーに入るでしょう。」

科学ジャーナリズムの支援について

この記事を気に入っていただけた場合は、受賞歴のあるジャーナリズムをサポートすることを検討してください。 購読中。 サブスクリプションを購入することで、今日の世界を形作る発見やアイデアに関する影響力のあるストーリーを将来にわたって確実に伝えることに貢献することになります。

JWST がデビューする前、その前身であるハッブル宇宙望遠鏡は、これまでに発見された最古の銀河の記録を保持していました。 私たちはGN-z11と呼ばれるその天体を、ビッグバンから約4億年後、約134億年前のものとして観察しています。 しかし、JWST は宇宙に目を向けるとすぐに、ハッブルの記録を繰り返し破りました。 私たちは現在、ビッグバン後少なくとも 3 億 2,000 万年前まで遡る銀河を研究しています。 そして今年後半には、進行中の JWST 銀河調査からの新しいデータが発表され、この記録はさらに押し戻されるはずです。

JWST で最初に観測された銀河は予想よりも明るく活発で、星の形成速度は今日の天の川銀河の 1 年に 1 つの星に匹敵するものでした。 しかし、それらははるかにコンパクトなサイズに圧縮されており、私たちの銀河の約1,000倍小さいものでした。 そして、JWST は初期宇宙を深く掘り下げると同時に、ビッグバンから約 7 億 5,000 万年後までの、やや後の宇宙史の領域も調査しました。 そこで発見された古い銀河は、まだ非常に若くて奇妙だった。それらは天の川銀河よりも最大 30 分の 1 (予想よりも 100 倍大きい) 小さく、星の形成速度は我々の銀河よりも 1,000 倍高かったに違いない。 科学者たちは、これらの比較的古い星系を超大質量銀河と名付け、頭を悩ませ続けました。どちらの銀河も、現在のモデルでは完全に説明できないのです。

今日の日記には 物理的なレビューレター、 ジョンズ・ホプキンス大学（JHU）のナシュワン・サブティ氏らは、JWSTの超大質量銀河に対する解決策を提案した。 彼らは、ハッブルからの既存のデータを使用して、これらの銀河と同じ宇宙の時代、ビッグバンから約 4 億 5,000 万年から 7 億 5,000 万年後の数百の銀河を紫外光で調べました。 主に赤外線で観測する JWST とは異なり、ハッブルは若い大質量星が最も明るく輝く電磁スペクトルの紫外 (UV) 端に敏感です。 ハッブルの紫外線観測により、研究者らは謎の超大質量銀河における星形成の速度をより正確に測定できるようになった。 「つまり、JWST から星形成率、つまり恒星の質量の時間の経過に伴う変化と恒星の質量そのものを比較することができます」とサブティ氏は言う。

これら 2 つの情報を比較して、サブティと彼の同僚は、銀河が宇宙の宇宙論的モデルであるラムダ冷暗黒物質 (ラムダ CDM) モデルの範囲内で説明できることを発見しました。これは、観測されたパターンと特性を最もよく再現します。銀河やその他の大きな宇宙構造。 難解な物理学は必要ありませんでした。 実際、そのような調整を行うと、ハッブル観測が JWST と矛盾することになります。 銀河はラムダ CDM の予測に従って予想どおりに成長していました。 「私たちは、ハッブルには宇宙論をいじる余地がほとんどないことを証明しました」とサブティ氏は言います。 「つまりソースは [of the ultramassive galaxies] 天体物理学である可能性が非常に高いです。」

ボイラン＝コルチン氏は、この論文は宇宙のこの時期のハッブルとJWSTのデータを比較する上で「大きな指摘」をしていると述べている。 しかし、彼はまだ完全に確信しているわけではない。 「この件が天体物理学的説明でなければならないという密閉性はないと思います」と彼は言う。 「抜け穴は、JWST とハッブルで必ずしも同じ銀河を観測しているわけではないということです。 銀河は光ることがある [in infrared] JWST では見えませんが、ハッブルでは見えません。 最も巨大なものがたまたまその中にあった場合 [infrared] 政権がそうであったなら、おそらくハッブルは彼らを見ていなかっただろう。」

しかし、サブティ氏の論文は、JWST の特異な銀河の天体物理学的説明を示した唯一の最近の研究ではありません。 の中に 天体物理学ジャーナルレター 先月、JHUとパリのソルボンヌ大学のジョセフ・シルク氏らは、GN-z11よりも前の、JWSTで観測された最も初期の銀河を観察した。 研究者らは、ビッグバン後の最初の5000万年以内にブラックホールが銀河そのものよりも早く形成されれば、宇宙で銀河をより速く成長させる方法があるかもしれないと書いている。 これは、宇宙初期の星形成率がなぜこれほど高かったのかを説明する可能性がある。ブラックホールは予想よりも早く銀河に動力を供給し、フィードバックとアウトフローと呼ばれる合理的によく理解されている天体物理学的プロセスにより、より早く塵やガスの雲を押しつぶして星を形成した可能性がある。

JWSTの観測では「予想よりはるかに多くのブラックホールが存在する」とシルク氏は言う、「そして、それらが存在する銀河は非常にコンパクト」で、天の川銀河の直径が10万光年であるのに比べ、直径はわずか300光年しかない。 「これは、フィードバックが大幅に強化されることを意味します」とシルク氏は言います。 「私たちの基本的な仮説は、ブラックホールはほとんどの星が誕生する前に実際に形成され、その後その活発な流出によって多くの星が生み出されたというものです。 時間が経つにつれて、これは消滅し、私たちが現在持っているような、より伝統的な星形成につながりました。 [today]。 私たちは、これは初期に起こった非常に特殊な現象であり、ウェッブで見ている謎を説明できると考えています。」

天体物理学センターのファビオ・パクッチ | ハーバード大学とスミソニアン大学とその同僚は、銀河の進化においてブラックホールが後の時代に果たした役割を研究した。 現代の宇宙にある私たちのような銀河では、星の質量は、銀河の中心にある超大質量ブラック ホール (大きな銀河に遍在する特徴) の質量を 1,000 対 1 の比率で上回っています。 JWST が観測したビッグバンから 10 億年後、パクッチ氏は、この時期の一部の銀河には、その質量が恒星の質量と一致する、あるいはそれを超えるブラック ホールがある可能性があることを発見しました。 これは、宇宙の初期におけるブラックホールの成長モデルを示しており、ブラックホールは星からではなく、宇宙の最初の1億年に塵とガスの雲の直接の崩壊によって成長した。 この結果はシルクらの結果と一致しており、銀河の急速な初期成長の天体物理学的説明を裏付ける可能性がある。

この考えが正しければ、最近欧州宇宙機関によって承認され、2035 年に打ち上げられる予定のレーザー干渉計宇宙アンテナ (LISA) 宇宙観測所など、今後の重力波観測所がこれらの「重い種」のブラック ホールを発見する可能性があります。 。 「こうした重い種が実現すれば、LISAとの合併が数多く起こるだろう」とパクッチ氏は言う。 「これにより過剰な質量の問題が緩和される可能性があります。」

JWST の銀河をブラックホールなしで説明する方法もあります。 ノースウェスタン大学のグチャオ・サン氏らは、宇宙の一部の銀河が「バースト的な」星形成の時期を経た可能性があると示唆した。 大量の超新星が一時的に1,000万年ほどにわたってフィードバックプロセスを引き起こし、星の形成速度がより穏やかな銀河よりも「10〜100倍」高かった可能性があるとサン氏は言う。 そのため、宇宙初期のいくつかの銀河の明るさが「非常に急激に上下」し、より目に見える明るい銀河のサンプルが偏ることになった可能性があります。 「非常に高い効率で星を形成する必要はない」とサン氏は付け加えた。 おそらく、JWST の不思議なほど明るい初期の銀河は、星形成の劇的な変動の上限を表しているだけであり、より暗く、より平凡な銀河の数は多いものの、まだ見つかっていないのかもしれません。

当分の間、天体物理学が最高位に君臨します。 しかし、問題はたくさんあります。 「ここで宇宙論が影響している可能性があるという事実は、それが除外されるまで追跡する価値があることを意味します」とボイラン＝コルチン氏は言う。 ブラックホールと星の形成は、これまでのところ有望な説明となっています。 しかし、科学者たちは、これらの新しいモデルのどれが定着するのかを知るために、新たな JWST の結果に注目しているでしょう。