宇宙最初の星の探索

望遠鏡はタイムマシンであり、天文学者はそれを使って宇宙で最初に形成された星々を見つけています。種族 III 星として知られるこれらの初期の世代の星々は、今日私たちが知っている宇宙の形成に非常に重要な役割を果たしました。

宇宙の初期の頃には、宇宙を照らす星はまだ存在していませんでした。ビッグバンから数十万年後の「暗黒時代」と呼ばれるその時代には、最も軽い元素、主に水素とヘリウムだけが形成され、暗く冷たいもやとなって幼い宇宙全体に広がっていました。

その後の 1億年の間に、最初の星々が水素とヘリウムのもやから合体し、宇宙を照らし、最初の銀河を形成しました。この期間 (最初の星が誕生した時からビッグバンの約 10 億年後まで) は、再イオン化の時代として知られています。

「水素とヘリウムだけで満たされた暗い宇宙から、今日の銀河、恒星、惑星、金属への移行は、非常に根本的なものです」と、UCLAの天文学者ウィリアム・レイクは言う。種族IIIの恒星は、宇宙のこれらの根本的な変化を引き起こした最初のものであったため、「それらが、私たちの銀河の恒星が形成される条件と元素の豊富さを作り出したのです」と彼は付け加える。

種族 III の非常に初期の世代の星は、数十億年前に誕生した当時の宇宙の状態がまったく異なっていたため、太陽のような星とはまったく異なっていました。今日の星には通常、炭素、窒素、酸素、鉄など、さまざまな重い元素が含まれていますが、種族 III の星が誕生した当時は、これらの元素はどれも存在していませんでした。重い元素は、星の中心部にある強力な宇宙炉でまだ作られていなかったのです。

大気中にこれらの余分な元素がなかったため、種族 III の恒星は強い恒星風を持たず、「平均して今日の恒星より​​も質量が大きく」成長したとレイク氏は言う。「これはまた、それらの恒星が高温で明るく、寿命が短かったことを意味します。そのため、現在私たちの周囲にそれらの恒星は見られません。それらはずっと前に死んでしまったのです。」種族 III の恒星が死ぬと、その過程でいくらかの金属が作られ、将来の世代のためにそれらの元素を宇宙に撒き散らすことになる。

しかし、数十億年前に死んだ恒星の祖先を研究するにはどうすればいいのでしょうか? 光の速度には限りがあるため、遠い宇宙から光が届くまでには時間がかかります。これにより、望遠鏡は事実上、一種の「過去を振り返る装置」となり、遠くにある物体は、光が最初に長い旅を始めたときの過去の姿で現れます。4光年離れた星 (私たちの最も近い隣人であるプロキシマ・ケンタウリなど) の場合、私たちはその星を4年前の姿で見ています。120億光年離れた星の場合は、120億年前、つまり再電離期の頃の姿で見ることができますが、これははるかに難しい観察です。実際、非常に難しいため、私たちはまだ種族IIIの星を実際に見たことがありません。

非常に難しい理由の 1 つは、遠い宇宙にあるすべてのものが非常に赤いことです。時空自体の文字通りの構造が伸びると、私たちに向かう途中で光波が伸び、電磁スペクトルの赤外線またはマイクロ波部分へとシフトします。つまり、非常に初期の星や銀河を見つけるには、赤外線で見るための特殊な望遠鏡が必要になります。そして天文学者は、この目的のために作られた史上最大かつ最高の望遠鏡を手に入れました。NASA のジェイムズ ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST) です。

JWST は宇宙の始まりまで遡ることはできないが、かなり遠いところまで遡ることができる。宇宙が始まってからわずか 10 億年後の再電離期まで遡ることができる。種族 III の星々は当時完全に生きていたが、種族 II として知られる次の世代のより「普通の」星々の間に隠れ始めた。さらに、これほど遠くの星々を観測するには、さらにもう 1 つ課題がある。私たちからそれほど遠くにある物体は、私たちの視点から見るとまったく小さく、信じられないほどかすかにしか見えないのだ。

その結果、種族IIIの個々の恒星を観測できる可能性はかなり低いが、天文学者たちは、これらの見つけにくい初期の恒星の証拠を見つける方法について、まだいくつかのアイデアを持っている。JWSTでは、宇宙自体による追加の拡大、つまり宇宙の巨大な物体の周りで光が曲がる重力レンズ効果に頼ろうとしているが、このアプローチには多少の運が必要だ。どの方向にも向けられる望遠鏡とは異なり、遠くの恒星が重力レンズ効果を受けるには、制御できない複数の巨大な物体が天文学的距離にわたって偶然に一列に並ばなければならない。つまり、重力レンズは要求に応じて作ることはできず、宇宙によって提供されなければならないのだ。

宇宙の歴史から10億年ほど後の、もっと身近なところでこれらの星を見つける機会もありますが、周囲には他の多くの現代の星があるため、干し草の山から針を探すようなものです。とはいえ、天文学者たちはどこを探すべきかについていくつかの手がかりを持っています。「いくつかのシミュレーションでは、大きな銀河の外縁部に流れ込む純粋なガスが、種族IIIの星形成を刺激する可能性があることがわかっています」と、UCLAの天文学者サヒル・ヘグデは説明します。もう1つの探す場所は矮小銀河です。矮小銀河は少し前に星の形成を停止したため、種族IIIの針を見つけるまでの過程で選別する干し草のかけらが少なくなる可能性があります。「原理的には、種族IIIが起源の連星ブラックホールからの重力波背景を探すこともできますが、これにはアインシュタイン望遠鏡のような次世代の重力波観測所が必要です」とヘグデは付け加えます。

これまでのところ、天文学者たちは JWST で発見した種族 III の可能性のある恒星の候補を 1 つ持っています。この恒星はビッグバンから 10 億年も経っていないころのもので、便利な重力レンズのおかげで初めて見えました。しかし、天文学者たちが本当に第一世代の恒星を発見したと確信するまでには、まだやるべきことが山ほどあります。「エアレンデルが種族 III であるという決定的な証拠はまだ見つかっていません」とヘグデ氏は言います。しかし、JWST は間違いなく探索を続け、おそらく私たちはこれから数年のうちに恒星の祖先をはっきりと見ることができ、初期の宇宙を解明したのと同じように、再電離の理解を深めてくれるでしょう。