ウェッブ望遠鏡の新発見：銀河形成を直接「見る」

2024年5月24日発行のサイエンス誌では、初期宇宙の銀河における中性原子水素の豊富さとそれが銀河形成に与える影響について考察した記事が掲載されています。研究チームは、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 JWST の近赤外線スペクトルデータを使用して、赤方偏移が 8 を超える 12 個の銀河を分析しました。スペクトル分析により、研究者らは、3 つの銀河が強い減衰ライマンアルファ吸収を示していることを発見しました。これは、これらの銀河の周囲に大量の中性水素原子が存在することを示す特徴です。

3つの銀河は、赤方偏移8.8、10.2、11.4に位置しており、ビッグバン後約4億年から6億年、つまり宇宙が138億年の寿命の最初の3%から4%にあった時期に相当します。非常に早いと言えます。中性水素柱密度は 10^22 cm^-2 に達し、完全に中性の銀河間物質よりも 1 桁高くなります。これは、これらの若い銀河にはガスが豊富に存在し、このガスが銀河形成の原料であることを示唆しています。

論文では、これらの銀河のスペクトル特性も調査し、赤方偏移と酸素含有量を測定し、これらの銀河の星形成率が年間1～15太陽質量であることを確認した。研究者たちはモデルフィッティングを通じて、これらの銀河の中性水素は銀河間物質からではなく、主に銀河内部またはその周辺領域から来ていることを突き止めた。

研究結果によると、初期宇宙の銀河の周囲には中性水素が大量に存在することがわかった。この水素ガスは電離光子に対する高い遮蔽効果があり、それによって銀河の電離放射線の逃避率に影響を与えます。この発見は、銀河の形成と初期宇宙における大規模な再イオン化プロセスを理解する上で重要な意味を持ちます。

宇宙の形成と進化は、約 138 億年前のビッグバンと呼ばれるプロセスから始まった壮大で複雑なプロセスであることがわかっています。ビッグバン理論によれば、宇宙は極めて高温高密度の状態から急速に膨張し、その後徐々に冷却されて現在見られる宇宙構造を形成したとされています。ビッグバン後の最初の数分間で、陽子、中性子、電子などの素粒子が形成され始め、後にこれらの粒子が結合して水素やヘリウムなどの最も軽い元素が形成されました。

宇宙が膨張と冷却を続けると、重力によって物質が凝集し始め、最も初期の銀河と星が形成されました。これらの初期の星は核融合反応を通じてより重い元素を合成し、その寿命の終わりに超新星爆発を通じてこれらの元素を周囲の宇宙に拡散しました。これらの重元素はその後の恒星や惑星の形成の基礎となりました。

銀河の形成と進化は宇宙の進化の重要な側面です。銀河は重力によって周囲のガスや塵を継続的に集積し、星形成や銀河合体などのプロセスを通じて進化し続けます。銀河における星形成活動​​と超新星爆発は、銀河内の構造とダイナミクスに影響を与えるだけでなく、銀河間物質にも重要な影響を及ぼします。星形成中に生成される強力な放射線と超新星爆発によって生成される衝撃波は、銀河間物質を加熱してイオン化し、銀河からガスの一部を放出することさえあります。

さらに、暗黒物質と暗黒エネルギーも宇宙の形成と進化において重要な役割を果たしています。暗黒物質は重力の影響によって物質の凝集を促進し、銀河や銀河団の形成に貢献します。ダークエネルギーは宇宙の加速膨張を促進し、宇宙の大規模な構造と進化に影響を及ぼします。

全体として、宇宙の形成と進化は、単純なものから複雑なものへ、均一なものから構造化されたものへと進むプロセスです。科学者たちは、銀河、星、銀河間物質の研究を通じて、宇宙の進化に関する詳細を明らかにし続けています。現代の天文学と宇宙論における多くの研究は、宇宙の起源と運命に関する究極の疑問に答えるために、これらの進化のプロセスとその背後にある物理的メカニズムを理解することに焦点を当てています。

銀河の形成を直接「見る」というこの発見は、非常に意義深いものです。これは理論モデルを検証し、宇宙の初期構造についての理解を深めるだけでなく、天文学技術の発展を促進し、将来の研究の方向性を示しています。この発見は、宇宙の起源と進化に関する科学界の理解に広範囲にわたる影響を及ぼす。

初期の銀河の形成を直接観察することで、ビッグバン後の宇宙の初期の歴史をより深く理解することができます。初期銀河の化学組成と星形成プロセスを研究することは、生命形成の条件を理解するのに役立ちます。生命に必要な元素（炭素、窒素、酸素など）は初期の恒星で形成され、超新星爆発を通じて銀河に広がりました。これらのプロセスを理解することは、生命のない宇宙から生命がどのように進化したかという疑問に答えるのに役立ちます。多くの人にとって、宇宙の起源と進化を理解することは科学的な問題であるだけでなく、哲学的、実存的な重要性を持つ問題でもあります。宇宙の起源と私たち自身の起源を探究することで、私たちはどこから来たのか、なぜ存在するのか、そして私たちの未来はどうなるのかといった、私たちの存在についてのより深い疑問に答えようとしています。これらの科学的発見は、これらの哲学的思考にとって重要な背景と基盤を提供します。

この記事は科学普及中国創造育成プログラムの支援を受けた作品です。

著者：中国科学院国立天文台研究員、郭立軍

査読者: 中国科学院国家宇宙科学センター研究員、孫志斌

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司