ウェッブ望遠鏡が赤方偏移値が 16.7 の銀河を発見したことはどういう意味ですか?

ウェッブ望遠鏡（略してウェッブ）は7月中旬に正式に始動し、これまでにいくつかの画期的な成果を達成しており、100億ドル以上の費用がかかったこのプロジェクトが無駄ではなかったことを示している。打ち上げ直後、ウェーバー号に6個の微小隕石が衝突したというニュースが流れ、ウェーバー号が破壊されるのではないかと多くの人が心配した。今、これらの人々は安心することができます。

現在、ウェッブ氏の発見は、1,000光年以上離れた太陽系外惑星の大気スペクトルの検出や、地球から135億光年離れた銀河の発見など、ほぼ毎日更新されています。これは、ウェッブが、間もなく退役する前身のハッブル宇宙望遠鏡の能力を上回ったことを示している。

最近メディアで話題になっている赤方偏移値 z=16.5 の銀河は、ウェーバーが期待に応え、人類の深宇宙へのビジョンを大きく前進させたことをさらに裏付けた。

では、スペクトル赤方偏移値とは何でしょうか?

いわゆるスペクトル赤方偏移値は、光のドップラー効果という波の特殊効果の現象です。音波、重力波、光波など、どのような波であってもドップラー効果は存在します。この効果は、1842 年にオーストリアの物理学者で数学者のクリスティアン・ヨハン・ドップラーによって発見され、提唱されました。彼を記念して、人々はこの効果を「ドップラー効果」と呼びました。

ドップラーが最初に発見したのは音波の効果でした。列車が通り過ぎるとき、遠くから近づいてくる列車の汽笛の音は大きくなり、通り過ぎて遠ざかるにつれて汽笛の音は小さくなることを発見した。この物理現象の研究を通じて、彼はドップラー効果の理論を導き出しました。これは、波源が観測者に向かって移動すると、その波長が短くなり、周波数が増加するというものです。逆に、遠ざかると、波長は長くなり、周波数は低くなります。速度が速いほど、この効果は顕著になります。

その後、音波などの機械波だけでなく、光波や重力波などすべての波にドップラー効果があり、光波のドップラー効果は赤方偏移と青方偏移であることが発見されました。

これは、可視光が単色ではなく、複数の色で構成された複合光であり、大まかに言えば、赤、オレンジ、黄、緑、シアン、青、紫の 7 色に分けられるという事実に基づいています。光の色ごとに波長と周波数が異なります。赤は波長が最も長く、周波数が最も低く、青と紫は波長が最も短く、周波数が最も高くなります。

人間の目が物体を見ることができるのは、光波が網膜に伝わるからです。光のドップラー効果により、私たちに向かって移動する物体の波長は短くなり、周波数は高くなり、スペクトルは青方に移動します。これを青方偏移と呼びます。逆に、私たちから遠ざかる物体のスペクトルは赤い端に移動します。これを赤方偏移と呼びます。

赤方偏移値を計算する式は、Z = (λ-λ0)/λである。

ここで Z は無次元量です。 Z の正の値は赤方偏移を示し、負の値は青方偏移を示します。 λは観測されたスペクトル波長を表し、λ0はスペクトルの固有波長を表します。この式から、いわゆるスペクトル赤方偏移値 Z は、観測されたスペクトルの波長から特定のスペクトルの固有波長を引いた値を、この固有波長の倍数で割った値であることがわかります。

スペクトルの固有のバンドは実験室で得ることができます。例えば、水素原子の電子が軌道 2、3、4 から基底状態 (軌道 1) に遷移すると、放出される放射線の波長はそれぞれ 121.57nm (ナノメートル、以下同じ)、102.57nm、97.254nm になります。これが有名な「ライマン線系列」で、それぞれライマンα線、ライマンβ線、ライマンγ線などと呼ばれています。

水素は宇宙で最も一般的な元素であり、宇宙の可視質量の約 75% を占めています。すべての星は主に水素で構成されているため、水素のスペクトル線の赤方偏移を観測することが、遠方の天体を観測する主な方法です。例えば、ある天体のライマンアルファ線の波長が 1565.85nm の場合、実験室で得られた固有波長 121.57 を減算し、さらに 121.57 で割ると、この銀河の赤方偏移値は 11.88 になります。

波長121.57nmと1565.88nmの光は可視光ではありませんが、それぞれ紫外線と赤外線の範囲に属します。紫外線の波長範囲は10〜400nm、赤外線の波長範囲は780nm〜1mm（ミリメートル、1mm=1000000nm）です。銀河から放射されるスペクトル線は、宇宙が膨張するにつれてますます赤方偏移し、スペクトルは目に見えない紫外線から可視光線へと赤方偏移し、その後徐々に目に見えない赤外線部分へと移動します。

このように、遠すぎる銀河は、可視光帯域で観測する光学望遠鏡では見ることができません。ウェッブ望遠鏡の強みは赤外線帯域での観測で、600nm～28.8μm（マイクロメートル、1μm=1000nm）の範囲を見ることができます。

スペクトル線の赤方偏移と距離の関係

前世紀の初めに、アメリカの天文学者ハッブルは宇宙膨張の現象を発見しました。つまり、遠方の銀河はすべて等方的に私たちから遠ざかっており、その速度は距離に比例しているということです。つまり、どの方向から見ても銀河は私たちから遠ざかっており、距離が遠くなるほど比例して速く動いているのです。

ハッブルは、このことから V = HD と表される法則を導き出しました。ここで、V は銀河が私たちから遠ざかる速度を表します。 H はハッブル定数を表します。 D は銀河と私たちとの間の実際の距離です。ハッブル定数 H は、Mpc (百万パーセク、約 326 万光年) の距離にある銀河が 1 秒あたりに地球から遠ざかる速度を表します。

科学界は数十年にわたってハッブル定数を測定するためにさまざまな方法を使用してきました。毎回取得されるデータは一貫しておらず、およそ 55 ～ 82.4 km/s の範囲です。宇宙の年齢は現在138億2000万年と計算されており、これは欧州宇宙機関がプランク衛星を使って測定したハッブル定数67.8km/sを計算に代入して得られた値である。

ハッブルの法則は変換関係を意味しており、つまり、銀河までの距離がわかれば、銀河が私たちから遠ざかる速度もわかるということです。逆に言えば、銀河が私たちから遠ざかる速度がわかれば、銀河と私たちの間の距離がわかります。赤方偏移はハッブルの法則と変換関係があり、その式は Z = HD / c です。

ここで、Z は赤方偏移、H はハッブル定数、D は観測された銀河の実際の距離、c は光速です。スペクトルの赤方偏移が大きいほど距離が長くなるという規則に従って、得られた赤方偏移を式に代入することで、観測された銀河と私たちとの間の距離を求めることができます。

ウェッブ望遠鏡は赤方偏移値が16.7の銀河を発見した。これはどういう意味ですか？

ウェッブ望遠鏡はGLASS-z13という銀河を発見した。 z13 は赤方偏移値 13 を表し、これはビッグバンから約 3 億年後に放出された光に相当します。宇宙の年齢は138億2000万年なので、この銀河は私たちから約135億光年離れていることになります。

これは、GLASS-z13 銀河が初めて光を発したとき、私たちとこの銀河との間の距離に相当します。宇宙膨張の法則によれば、この銀河は現在 330 億光年の距離まで後退しています。研究によれば、GLASS-z13 の質量は太陽のわずか 10 億倍であるのに対し、天の川銀河の質量は太陽の 1 兆倍以上 (暗黒物質を含む) である。この銀河は天の川銀河のわずか0.1%の大きさで、非常に小さい銀河です。

また、この研究では、この銀河の年齢はわずか7100万年ほどであると考えられており、形成されたばかりか、形成過程にある赤ちゃん銀河であると考えられています。ウェーバーがこの銀河を発見する前、宇宙で発見された最も遠い銀河は GN-z11 でした。赤方偏移が 11.1 であるこの銀河は、地球から 134 億光年の距離に相当し、ハッブル望遠鏡によって発見された最も遠い銀河となります。

つまり、ウェッブ望遠鏡が目を開くとすぐに、人間の視野が1億5000万光年も広がり、世界中の科学界とメディアにセンセーションを巻き起こしたのです。しかし、ウェッブの力はそれをはるかに超えており、天文学者は現在、GL-z13をさらなる調査の候補として研究しているだけだ。

ウェッブから送られてきた画像の中で、天文学者たちはより大きな赤方偏移を持つ銀河もいくつか発見した。そのうち 1 つは z＞14 に達し、少なくとも 3 つは z＞16 に達し、そのうち 1 つは z=16.7 です。これらの研究結果は、権威あるarXivジャーナルに掲載された論文に掲載されました。

これは何を示しているのでしょうか?これは、ウェッブ望遠鏡が私たちから136億光年以上離れた銀河を捉えた可能性があり、これらの銀河はビッグバンから約2億年後に初めて現在の姿に現れた可能性があることを意味します。

ウェッブ望遠鏡の最も重要な任務の一つは、ビッグバンによって放出された最初の光線を検出し、研究することです。標準的な宇宙論モデルによれば、この光はビッグバンから38万年後に発生した。宇宙は極度に高い温度と極度に高い密度から冷却され、希釈され、光子（電磁波）が分離できるようになりました。それ以来、宇宙は透明になり、目に見えるようになりました。

この光線は爆発して138億年の間冷却されました。現在、宇宙マイクロ波背景放射の形で宇宙全体に存在しており、温度は約 2.73K (-270.42℃) です。ウェッブの使命は10年間続くことです。彼が目を開けてからまだ半月ほどしか経っていないが、すでに136億年前の宇宙の様子を見ており、驚くべき発見が続いている。それで、彼は最終的に最初の光線がどのようなものだったかを見ることができるのでしょうか?待って見てみましょう。

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