ビッグバンの後、光と電気が初期の宇宙を形作った

最初の星と銀河が形成されたとき、それらは宇宙を照らしただけではありません。これらの明るい構造は、宇宙の化学反応を根本的に変えました。

その間に、現在銀河間の空間の物質のほとんどを構成している水素ガスは電荷を帯びるようになった。カリフォルニア大学サンタクルーズ校の計算天体物理学研究グループを率いるブラント・ロバートソン氏は、この再イオン化の時代は「宇宙における最後の大きな変化の 1 つ」だったと語る。それは、私たちが知っている宇宙の夜明けだったのだ。

しかし科学者たちは、これまで再電離の時代に何が起こったのかを詳細に観察することができなかった。NASA の最近稼働したジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、この形成期のベールを突き破る目を提供している。ロバートソン氏のような天体物理学者はすでに、JWST のデータを精査し、その電気的な宇宙の夜明けに関する基本的な疑問の答えや、今日の宇宙を形作る力学について何がわかるかを探している。

ビッグバンの後に何が起こったのでしょうか?

再イオン化の時代は、宇宙が電気で満たされた最初の時代ではありませんでした。ビッグバンの直後、宇宙は暗く熱く、星も銀河も惑星もありませんでした。代わりに、電子と陽子は自由に動き回っていました。蒸気が多すぎてそれらがペアになることができなかったからです。

しかし、宇宙が冷えていくにつれて、陽子が電子を捕獲して最初の原子、具体的には水素を形成し始めた。これは「再結合」と呼ばれる期間だと、コペンハーゲン大学とデンマーク工科大学国立宇宙研究所の共同研究機関であるコズミック・ドーン・センターの博士研究員、アン・ハッター氏は説明する。このプロセスにより、帯電した物質は中和された。

当時、宇宙に存在する物質は比較的均一に広がっており、構造はほとんどありませんでした。しかし、密度には小さな変動があり、数百万年の間に、その変化によって初期の原子が集まり、最終的に星が形成されました。初期の星の重力によって、より多くのガス、粒子、その他の構成要素が集まり、より多くの星、そして銀河が集まりました。

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銀河の始まりが明るくなり、天体物理学者が言うところの宇宙の暗黒時代は終わった。ロバートソン氏によると、これらの恒星は特に明るかった。太陽よりも質量が大きく、高温で燃え、紫外線スペクトルで輝いていた。

「紫外線は、十分なエネルギーがあれば、実際に水素をイオン化することができます」とロバートソン氏は言う。水素原子から電子を剥ぎ取り、正電荷を残すには、光子と呼ばれる、特にエネルギーの高い光の粒子 1 つだけが必要である。

銀河が集まり始めると、まず周囲の領域がイオン化され、宇宙全体に荷電水素ガスの泡が残ります。発光する銀河団が大きくなると、より多くの星が形成され、さらに明るくなり、光子がいっぱいになります。さらに新しい銀河も発達し始めました。それらが明るくなると、イオン化された泡が重なり始めました。これにより、1 つの銀河からの光子は「このネットワークを通過するときに水素原子にぶつからないため、はるかに長い距離を移動できます」とロバートソンは説明します。

その時点で、宇宙の残りの銀河間物質は、銀河から遠く離れた領域であっても、急速にイオン化されます。それが再イオン化の時代が終わり、私たちが知っている宇宙が始まったときです。

「宇宙の全体的な特性が変化したのはこれが最後でした」とロバートソン氏は言う。「また、銀河が実際にその局所領域を超えて影響を与えたのもこれが初めてでした。」

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡によるイオン化の手がかりの探査

銀河間の水素がすべて帯電し、宇宙は新たな形成段階に入った。このイオン化は銀河の形成に波及効果を及ぼし、宇宙の夜明け後に形成された星がちりばめられた構造は、おそらく影響を受けた。

「ガスをイオン化すると、熱も上がります」とハッター氏は説明する。覚えておいてほしいのは、高温では物質が合体して新しい星や惑星を形成するのが難しくなり、すでに存在するガスを破壊することさえあるということだ。その結果、イオン化された領域で形成される小さな銀河は、より多くの星を作るのに十分なガスを得るのに苦労するかもしれない。「これは、銀河が形成する星の数に本当に影響します」とハッター氏は言う。「銀河の歴史全体に影響します。」

科学者たちは再イオン化のストーリーの大まかな概要を把握しているものの、いくつかの大きな疑問が残っている。たとえば、科学者たちはビッグバンから約 10 億年後にこの時代が終わったことを大まかに知っているものの、再イオン化、つまり最初の銀河形成がいつ始まったのかはよくわかっていない。

そこで JWST の出番です。この新しい宇宙望遠鏡は、人間の目には見えない宇宙の最も古い部分を探し出し、銀河間物質をイオン化した最初の星の光のきらめきに関するデータを収集できるように設計されました。天文学者は主に、天体が発する放射線によって天体を検出します。私たちから遠い天体は、距離によって波長が長くなるため、赤外線で現れる傾向があります。宇宙は膨張しているため、光が JWST の検出器に到達するまでに数十億年かかることがあります。

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簡単に言えば、科学者たちは JWST を使って宇宙の電離過程にある最初の銀河を観察するのだ。ハッブル宇宙望遠鏡のような古いツールは時折初期の銀河を発見できたが、この新しい宇宙観測所はより詳細な情報を収集して、星の集団を時間的に位置づけることができる。

「現在、私たちはビッグバンから9億年後、8億年後、7億年後、6億年後、そしてビッグバンから3億年後まで遡って、銀河がいくつ存在していたかを非常に正確に計算することができます」とロバートソン氏は言う。その情報を使って、天体物理学者はそれぞれの時代に電離光子がいくつ存在していたか、またその粒子が周囲にどのような影響を与えたかを計算することができる。

宇宙の夜明けを描くことは、宇宙の大規模構造を理解することだけではありません。炭素や酸素など、人間を構成する元素が最初の星の内部で形成され、いつ利用可能になったかを説明することも必要です。「[本当の疑問は]、私たちはどこから来たのかということです」とハッター氏は言います。

訂正（2022年9月21日）：初期宇宙の密度の変動は、以前の記述の数十億年ではなく、数百万年にわたって発生しました。これは編集上の誤りでした。