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最も遠い129億光年先の星を観測 ハッブル望遠鏡

ナショナルジオグラフィック

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ハッブル宇宙望遠鏡を使った観測から、はるか彼方の銀河の中に、これまでに観測された恒星の中で最も遠く、最も原始的であると思われる恒星が見つかった。

3月30日付けの学術誌「ネイチャー」にこの発見についての論文を発表したNASAのジェイン・リグビー氏は、「単独の恒星としては、過去の記録を大幅に塗り替える遠さです」と言う。「初期の宇宙に存在していた大質量星がどのようなものであったのかを研究する絶好の機会となるでしょう」

この恒星は、トールキンの作品の登場人物にもあしらわれた、「明けの明星」または「昇りくる光」を意味する古英語にちなんで「エアレンデル(Earendel)」と呼ばれている。エアレンデルは地球の129億光年先にあり、ビッグバンからわずか9億年後の恒星で、初期の宇宙が暗黒時代から脱した直後の、最初の銀河が成長・進化してきた時代のものだ。これまでの最遠記録だった恒星「イカロス」のビッグバンから43億年後という数字と比べると、桁違いに古くて遠い。

宇宙の拡大鏡、重力レンズ

遠方の宇宙を研究することは、時間をさかのぼることに似ている。天体から出た光が宇宙を旅して地球に到達するには時間がかかるため、科学者たちが見ている恒星や銀河の姿は、何百万年も、何十億年も前のものだ。科学者たちは、最先端の望遠鏡を導入しつつ、時空の深淵を探る巧妙な方法も次々と開発している。

今回の観測では、天文学者たちは初期の宇宙を覗き見るために、ハッブル望遠鏡をWHL0137-08という質量の非常に大きい銀河団に向けた。こうした銀河団は、重力によって周囲の光を湾曲させる重力レンズ効果によって、背景の天体を拡大(増光)して見せてくれることがある。

「宇宙再電離重力レンズ銀河団探査(Reionization Lensing Cluster Survey:RELICS)」プロジェクトは、これまでの10年間、41個の重力宇宙レンズを使って、宇宙に最初の明かりが灯った時代の天体を探し、遠方の恒星、銀河、超新星、クエーサーと呼ばれる非常に明るい天体などを発見してきた。

重力レンズ効果によって拡大された銀河は、光が湾曲して特徴的な弧を描いているように見える。エアレンデルは、このようにして拡大された銀河の1つである「サンライズ・アーク(日の出の弧)」の中で見つかった。

論文の筆頭著者である米ジョンズ・ホプキンス大学のブライアン・ウェルチ氏は、サンライズ・アークの細長い三日月型の弧について「宇宙誕生から10億年以内という非常に遠方の銀河が描く弧としては、最長のものです」と説明する。

「モンスターに違いありません」

天文学者たちは、サンライズ・アークが研究対象として興味深い銀河であることはわかっていた。だが、自分たちが見つけたものが何なのか、正確にはわからなかった。そこで博士課程の学生だったウェルチ氏に、弧の中に何が隠れているのか突き止めるという課題が与えられた。氏が仲間とともに観測データを精査していくと、弧の一部が極端に拡大されていて、その中に単独の恒星のぼんやりとした画像が含まれているらしいことに気づいた。

ウェルチ氏らの計算から、この天体は数千倍に拡大されていて、既知の最小の星団よりもはるかに小さいことがわかった。さらなる計算から、この天体「エアレンデル」の質量は太陽の50倍以上あり、恒星としてはかなり大きいこともわかった。単独星ではなく連星の可能性もある。

「太陽の100万倍から1000万倍の明るさなのですから、モンスターに違いありません。でも、どのくらいの大きさのモンスターなのでしょうか?」とリグビー氏は言う。「どんな星なのか、見当もつきません」

エアレンデルが生まれた頃

エアレンデルがあった頃の宇宙は、現在の宇宙とは大きく異なっていた。それは、輝かしい誕生時の混乱がまだ続いている宇宙だった。

生まれて間もない頃の宇宙は、ほとんど暗黒の世界だった。恒星も銀河もなく、ゆっくりと冷えてゆく水素ガスの茫漠たる海が広がっているだけだった。

そんな状態が5億年ほど続いた頃、光が射しはじめた。水素ガスの中から最初の恒星が生まれ、恒星が集まって銀河が生まれ、そうした動きの中でブラックホールも生まれてきた。「宇宙の暗黒時代」が終わったのだ。

最初のうちは、恒星から出た光は中性の水素ガスの霧の海をなかなか通り抜けられず、ほとんど跳ね返されて散乱していた。しかしやがて、この霧が晴れた。リグビー氏によると、「宇宙の再電離」と呼ばれるこの時代に、短い寿命を終えて爆発的な死を遂げた恒星から放射された紫外線が宇宙を覆っていた霧を焼き払い、恒星からの光が宇宙を自由に旅することができるようになったという。

科学者たちは、初期の世代の大質量星、おそらくエアレンデルに似た恒星が、この変化を起こしたのではないかと考えている。

今後、NASAの最新の宇宙望遠鏡であるジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST)による観測が行われれば、エアレンデルの温度と明るさをより正確に測定できるだろう。エアレンデルとサンライズ・アークの化学組成も調べられるだろう。エアレンデルが恒星以外の天体、例えば、明るいガスや塵が渦巻く円盤に包まれた小さなブラックホールなどであるなら、JWSTはその解明にも役立つはずだ。

ウェルチ氏らは、エアレンデルは恒星だと確信している。「私たちは最も遠い星を探そうとしていたわけではなく、偶然見つけただけなのです」と彼は言う。「エアレンデルより古い世代の恒星があったとしても、ほんの数世代だけでしょう。エアレンデルは、私たちが近くの宇宙で見ている恒星とはまったく違っているかもしれません。そんな恒星を詳しく研究するチャンスに恵まれたことにワクワクしています」

文=Nadia Drake/訳=三枝小夜子(ナショナル ジオグラフィック日本版サイトで2022年4月1日公開)

※掲載される投稿は投稿者個人の見解であり、日本経済新聞社の見解ではありません。

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