[비즈한국] 2022年、ハッブル宇宙望遠鏡は歴史上最も遠い場所で孤独に輝く単独の恒星を発見した。その星の赤方偏移はz=5.926と測定された。これは宇宙の年齢がわずか9億年しかなかった頃の姿である。10億年も経っていない非常に幼い時期、初期宇宙に存在した最も遠い過去の星だ。地球からは280億光年も離れている。これほど遠い距離から、数千億、数兆もの星が集まる銀河ではなく、たった一つの星の光を捉えたのだ！このような発見が可能だったのは、偶然にもこの星の近くで極めて極端で絶妙な重力レンズ現象が起きたからだ。すぐ手前にある巨大な銀河団WHL0137-08が作った重力レンズのおかげで、宇宙の果てに隠れていたかすかな光がより明るく増幅されて露わになった。
ハッブルの写真にはかすかだが非常に長く伸びた形が見えるが、これがこの星を抱く母銀河だ。天文学者たちはこの銀河に「サンライズ・アーク（日の出の弧）」という名前を付けた。地球の彼方から太陽の光が昇る様子のように、赤い弧の形をしているからだ。歴史上最も遠い場所で発見された単独恒星の候補には、明けの明星を意味する「エアレンディル（Earendel）」という名前が付けられた。ビッグバン直後、宇宙の夜明けの頃にこの星が明るく輝いていたであろうという意味だ。
ところが最近、このエアレンディルの正体について新しい解釈が登場した。残念ながら、エアレンディルは最も遠い場所で発見された単独恒星ではない。一つの星ではなく、複数の星が密集している「星団」である可能性が新たに提示されたのだ。エアレンディルは宇宙の果てで孤独に輝いていた単独の星ではなく、宇宙の果てで誕生したばかりの非常に若い星団だったとみられる。
恒星と星団は次元が違う規模だ。星団は星が数十万、数百万個も集まった巨大な集団である。そのため、写真を見てこれがたった一つの星なのか、星が複数集まった星団なのかを混同するというのはおかしく聞こえるかもしれない。しかしエアレンディルの場合はそうなるのも無理はない。あまりにも距離が遠く、暗く見えるからだ。歪んだ時空に沿って光の経路が曲がる重力レンズは、背景宇宙のイメージを歪ませるだけでなく、偶然歪んだ光の筋が一つに集まることで、遠く離れた暗い天体をより明るく見せる増幅効果ももたらす。ところが、エアレンディルが見える位置において、重力レンズによって明るさが正確に何倍に増幅されているのかが不確実なのだ。まだ誤差が大きすぎる。
重力レンズによって明るさがどれほど膨張して見えているのかを知らなければ、それを補正してこの天体の実際の明るさを知ることはできない。しかしこれまでの推算によると、本来ははるかに暗い星が極端な偶然の重なりによって4000倍から4万倍まで明るく増幅されたという説と、そこまでではなく本来もっと明るかった星団が適度に明るく増幅されたという説が対立している。
その後、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡もエアレンディルを狙った。当初の分析で天文学者たちは画像と測光の分析のみを行った。そして重力レンズによって星の明るさがどれほど増幅されたかを推定し、エアレンディルの潜在的な大きさを最大で4000AU（天文単位）程度と推定した。太陽と地球の間の距離の4000倍も大きいという意味だ。非常に巨大だが、それでもせいぜい非常に大きな単独恒星程度だった。
ジェイムズ・ウェッブの観測は、エアレンディルが非常に巨大で明るいB型星である可能性も示唆した。太古の宇宙で生まれたばかりの、事実上第1世代の星に近い非常に明るく重い星である可能性がある。ただし、推定された質量と明るさが非常に大きかったため、2つの星が結合している連星である可能性も取りざたされた。
ところが最近、ジェイムズ・ウェッブによるさらに詳細なスペクトル分析を通じて、全く異なる可能性が明らかになった。単独の星でも、まばゆい連星でもなく、星がより多く集まった原始星団である可能性だ。エアレンディルは原始宇宙で形成された球状星団に近いようだ。
星は単独でいる時と複数集まっている時で、スペクトルが異なる。温度が少しずつ異なる星たちが一箇所に集まると、星それぞれが放出するスペクトルが混ざり合い、新しいスペクトルのカクテルが作られる。今回の分析では、ジェイムズ・ウェッブのNIRSpecを活用した赤外線分光スペクトルデータを利用した。そして、スペクトルの形態が単独の星が示すべき特徴から大きく逸脱しているという事実を確認した。
エアレンディルとともに長く歪んだサンライズ・アーク銀河の画像を埋め尽くす小さな斑点がある。これらの斑点は最初の分析から星団に分類されていた天体だが、今回の分析でエアレンディルとこれら斑点のスペクトルを直接比較すると、非常に似たパターンを示すことが分かった。エアレンディルは単独の星ではなく、星団なのだ。エアレンディルも斑点も、金属含有量は太陽レベルの10%に満たず、年齢は3000万年以上経った星々が密集している星団だと仮定したとき、観測されたスペクトルが最もよく説明できる。
当初の分析では考慮していなかった暗黒物質のハローを計算に加えると、エアレンディルの潜在的な大きさも大きく変わった。4000AU大の恒星程度だと考えられていたものに対し、今回の分析はエアレンディルが直径6.5光年に達するさらに大きな星団である可能性を示している。最初からエアレンディルが球状星団であったなら、単独の星よりも明るい天体だという意味だ。今回の分析によると、初期に推定した重力レンズ効果は多少過大評価されていたようだ。エアレンディルの明るさは数千、数万倍まで明るくなってはおらず、約43〜67倍程度のレベルで増幅されたものとみられる。そしてこれがはるかに現実的だ。
今回の追加分析は、エアレンディルの赤方偏移を5.926レベルに調整したが、これが正しければエアレンディルは知られていた280億光年よりは少し近い273億光年程度離れていることになる。もちろん宇宙の果ての遠い場所にあることに変わりはないが、少し近づいたということだ。
最も遠い星ではなく星団だと判明したことに少し失望するかもしれない。しかし天文学的に見れば決してそうではない。むしろ銀河と宇宙の進化を追跡できる重要な手がかりとなる。天文学者たちは球状星団が銀河の種であり、銀河進化の化石であると考えている。初期宇宙で銀河が形成される過程で、球状星団は最も先に作られる。球状星団は、銀河が生まれたばかりの頃の化学的な記憶をそのまま残した化石だ。あたかも太陽系の誕生と起源を知るために太陽系の果てにある彗星や小惑星を探査するのと同じように、球状星団は銀河の誕生と起源を教えてくれるヒントになる。
さらにエアレンディルは、ビッグバン直後から10億年も経っていない遠い過去の宇宙の姿をそのまま残している。エアレンディルは宇宙史上、初めて銀河が形成されていた時代に、その中で非常に密度の高い球状星団がすでに存在していたという事実を証明する。今回推定されたエアレンディルの諸特徴は、シミュレーションが予測した赤ちゃん星団の姿と正確に一致する。
残念ながら、エアレンディルが恒星ではないという最終結論に至れば、現時点で人類が最も遠い距離で発見した恒星のタイトルは「ゴジラ」が手にすることになるかもしれない。本当だ。星の名前がゴジラなのだ。ゴジラは約109億光年の距離にある星で、同じく銀河団PSZ1 G311.65-18.48が作った劇的な重力レンズで発見された。この銀河の周辺で明らかに歪んだ形の銀河イメージが見えるが、天文学者たちはここでひときわ明るく輝く星を発見した。太陽よりもなんと5000万倍も明るかった。この圧倒的な星に、天文学者たちは怪獣ゴジラの名前を付けた。この星が輝く遠い銀河はサンバースト銀河と呼ぶ。
ところが最近、このゴジラもエアレンディルと同様に単独の星ではなく、星団である可能性が取りざたされている。最近行われたVLT（超大型望遠鏡）の観測は、ゴジラが実は太陽質量の数百万倍程度の質量を抱く、400万〜600万年ほど経った非常に若い星団である可能性を示している。単なる単独の星にしては、豊富な酸素や窒素など超新星爆発で作られる重元素だけでなく、ヘリウムまでもが高い含有量で存在しているからだ。そのため天文学者たちは、ゴジラも複数の星が共に混ざり合って生きている星団である可能性へと傾く傾向にある。
結局、100億光年を超えた遠い宇宙で、疑いの余地のない確実な単独恒星はまだ発見できていないと言える。エアレンディルやゴジラをはじめ、偶然繰り広げられた劇的な重力レンズの助けを借りて遠い宇宙の闇の中で単独恒星のふりをしている存在を捉えたが、粘り強い分析の末に結局一つ一つが星ではなく星団だったという事実が明らかになっている。もちろん星団があるということは、その星団を成す星たちも存在するという意味ではある。だが距離が遠すぎるため、その星団を成す個々の星を一つ一つ区別して見ることはできない。初期宇宙の星団ももちろん興味深いターゲットだが、距離が遠すぎるために星団を丸ごとまとめて見るしかない。結局、各々の星の特性がすべて混ざり合い、初期宇宙の星々の正確な特徴を一つずつ区別して見ることはできない。
だからこそ天文学者たちは、宇宙の果てでまばゆく輝き、存在感を放つかもしれない単独の星を探し続けているのである。真のエアレンディル、宇宙の真の明けの明星は、まだ私たちに姿を見せていない。
参考
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aded93
筆者チ・ウンベは？ 猫と宇宙を愛している。幼い頃に『銀河鉄道999』を見て、宇宙の美しさを伝えるという夢を持つようになった。現在、世宗大学校の自由専攻学部の助教授として、講演や執筆など様々な科学コミュニケーション活動をともに行っている。『毎日、宇宙のかけら』、『星が輝く宇宙の科学者たち』、『行くことはできないが知ることはできる』、『宇宙を見ると浮かぶ奇妙な質問たち』などの本を執筆し、『本当の宇宙を旅するヒッチハイカーのためのガイド』、『私はどうして冥王星を殺したのか』、『クォンタム・ライフ』、『コズミグラフィック』などを翻訳した。