[비즈한국] 私たちはどれほど遠い宇宙まで見ることができるのだろうか？宇宙において遠い場所は、すなわち遠い過去を意味する。これを「ルックバックタイム（後方散乱時間）」効果と呼ぶ。遠くを眺めるほど、ビッグバン直後の宇宙に何一つ存在しなかった太初の闇に近づくことになる。太初の瞬間を見るため、望遠鏡は絶えずさらに遠くを狙う。もちろん、どれほど努力しても、ビッグバン以降、宇宙年齢が少なくとも10億年を超えた時期を主に観察するのが精一杯だった。
ところが最近、天文学者たちがジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のデータから、赤方偏移がなんと32に達する銀河を捉えた。この値が正しければ、この銀河は宇宙年齢がわずか9000万年しかなかった頃の姿である。現在の宇宙年齢のわずか0.6％に過ぎない時点だ！これが事実であれば、私たちはまさに宇宙太初の瞬間を捉えたことになる。天文学者たちは、まだこの銀河の正体が正確に何であるかを知らない。
今回の発見まで、ジェイムズ・ウェッブが捉えた最も遠い銀河は「MoM-z14」だった。去る4月、ジェイムズ・ウェッブは遠い銀河から飛んできた微かな光を捉えた。この銀河の赤方偏移は14.44程度だ。その光は、宇宙が誕生してわずか2億8000万年しか経っていない頃のものだ。初期宇宙に住む原始銀河であるだけに、サイズは非常に小さい。大きさはわずか240光年しかない。24万光年ではなく、240光年だ。質量も太陽質量の1000万倍程度である。私たちの銀河の周りを回る小さな小マゼラン雲と同レベルだ。
しかし、小さいからといって侮ることはできない。これらの小さな原始銀河は、間違いなく宇宙が非常に若かった頃に存在していた。つまり、宇宙が誕生して間もない頃から、すでにかなり多くの銀河が形成されていたことを示している。ジェイムズ・ウェッブの運用により、天文学者たちは太初から予想よりもはるかに多くの銀河が存在した事実に気づかされた。そして、太初の銀河が初めて誕生したメカニズムをゼロから再考し始めた。
長い間、天文学者たちはビッグバン直後にすぐに星や銀河が作られることはなかったと考えていた。太初に宇宙が急速に膨張し始めた後、しばらくの間は星も銀河もなかった。少なくとも4億年ほど時間が経過して初めて、物質が集まり、星や銀河が姿を現し始めたはずだと考えられていた。ビッグバンから2億年経ってようやく最初の星が誕生し、4億年経ってようやく銀河と呼べる存在が作られたとされていた。最初の星と銀河が誕生した「宇宙の夜明け」が終わり、星と銀河の時代が始まったと。
ところが最近、ジェイムズ・ウェッブが「夜明け」の前にすでに星と銀河が存在していた証拠を次々と提示した。宇宙は私たちの考えよりも非常に早い時点からかなり完成された世界であったという衝撃的な可能性を提示したのだ。そのような中で、今回赤方偏移32の銀河を発見したのである。
これはこれまで観測できるとは全く考えていなかったレベルだ。天文学者たちは、ジェイムズ・ウェッブが観測した微かなスペクトルを綿密に分析した末に、その赤方偏移が32に達する極端な数値である可能性を確認した。既存の新記録MoM-z14よりもさらに2億年先行する銀河だ。宇宙がわずか9000万年しかなかった時、すでに宇宙に銀河があったというのか！この太初の銀河には、イタリアの山の名前をとって「カポタウロ（Capotauro）」というニックネームが付けられた。
カポタウロは、ジェイムズ・ウェッブのNIRCam（近赤外線カメラ）を通じ、F115WからF444Wの間の赤外線波長範囲で、合計7種類の波長のフィルターで撮影された。その中でも最も波長が長いF444WとF410Mの波長でのみ、この天体が見える。波長がより短いF356W以下のフィルターでは全く見えない。これは、赤方偏移をあまりに強く受けたため、波長が極端に長くなったことを意味する。このように波長によって突然天体の光が見えたり見えなくなったりすることを「ドロップアウト」と呼ぶ。ジェイムズ・ウェッブの画像に現れた赤外線領域の極端なドロップアウトから、この天体が非常に極端な赤方偏移を持つと見なすことができる。波長がより短いハッブル宇宙望遠鏡の観測結果を見ると、一般的な可視光線や近赤外線領域ではこの天体は全く見えない。
しかし、あまりにぼやけて暗い天体であるため、スペクトルにノイズが非常に多い。天文学では、多様な温度や化学成分を宿した星々が共に集まっている多様なモデルを仮定し、どの仮定が実際に観測されたスペクトル形態と最もよく合致するかを探す方法で銀河のスペクトルを分析する。この時、BAGPIPESやZPHOTなど多様なフィッティングアルゴリズムを使用するが、今回の分析では信号があまりにぼやけて暗いため、アルゴリズムに関係なく不確実な結果が出た。
観測結果を説明する可能性は大きく二つある。まず一つ目は、赤方偏移が32に達するビッグバン直後の初期宇宙に存在した非常に明るい銀河だという仮説だ。事実上、私たちが観測可能な宇宙の果てにあるにもかかわらず、かすかにでも見えるためには、その実際の明るさが途方もなく明るくなければならない。その質量だけで太陽質量の10億倍レベルである必要があり、これは実は初期宇宙では絶対に期待できない規模だ。これほど重厚な質量を持つには、宇宙が少なくとも数億年は経過している必要がある。
宇宙がわずか9000万年しかない時点でこれほど巨大な銀河が存在するためには、太初から非常に速い速度で星が作られ、銀河が形成される必要があったはずだ。このような「爆発的成長」のためには、事実上、その銀河が抱えているすべてのガス物質が瞬時に100％の効率ですべて星に変わる必要がある。これは現在のモデルでは到底不可能だ。
一般的な恒星進化モデルによれば、星はいつか爆発せざるを得ない。特に初期宇宙であれば、星はより重く、より寿命が短い。より早く進化を終えて爆発しなければならない。このような超新星爆発は、周囲の星間物質の温度を熱く加熱し、その後の星形成を抑制する。そのため、通常銀河の中でガス物質が星に変わる効率は10～20％前後を維持する。100％に近い極端な効率を作るためには、銀河の中で一度生まれた星が絶対に爆発しないという仮定が必要だが、これは常識的に想像しがたい。
もう一つの可能性は、最近ジェイムズ・ウェッブで珍しく捉えられる小さくて暗い赤い点、LRD（Little Red Dots）の極端な事例である可能性だ。ジェイムズ・ウェッブは写真のあちこちにLRDが隠れているが、天文学者たちはまだその正体が何であるかを知らない。宇宙の果てに隠れた厚い塵に覆われた原始銀河である可能性もあり、高密度のガス殻の中に超巨大質量ブラックホールだけを抱えている、いわゆる「ブラックホール・スター」という全く異なる種類の天体である可能性もある。しかし、カポタウロがブラックホール・スターだとしても、それほど早い時期に存在していることは説明がつかない。
二つ目の可能性を説明する別の仮説もある。あまりに観測データにノイズが多いため、スペクトルフィッティングは全く別の可能性も提示する。赤方偏移がはるかに小さい10程度に位置する、少し平凡な銀河である可能性だ。比較的近い距離で濃い塵に囲まれたまま、中心に重厚で凶暴なブラックホールを抱えている活動銀河である可能性があるということだ。しかし、極端に波長が長い赤外線領域で突然天体の姿が見えなくなる極端なドロップアウトは、こうした活動銀河モデルだけでは容易に説明できない。
もっとつまらない可能性もある。はるかに近い、私たちの銀河系内の目と鼻の先で宇宙空間を漂っていた暗い褐色矮星や浮遊惑星を見て勘違いした可能性だ。実際に、このように目と鼻の先の宇宙空間を漂う暗く赤い星が、宇宙の果ての銀河のふりをするケースが時々ある。褐色矮星や浮遊惑星の大気成分のために、スペクトルの特定の区間で突然光の強さが弱まり、極端なドロップアウトのように見える可能性もある。極端に言えば、表面温度が300Kレベル（地球の温度！）しかないY型星であれば、似たようなスペクトルを説明できる。初期宇宙の原始銀河を探そうとする天文学者たちが常に気をつけなければならない「邪魔者」たちだ。
カポタウロは、そのスペクトルと同じくらい正体が非常に曖昧だ。そして非常に極端だ。宇宙年齢がわずか9000万年しかなかった当時の、宇宙の最も若く未熟な姿を宿した初期原始銀河なのか、それともわずか地球から50光年離れた目と鼻の先の宇宙空間を漂う、非常に生ぬるい褐色矮星なのか。
カポタウロが銀河なのか、あるいは惑星なのか、漂流星なのかを知るためには、より鮮明なスペクトルを得なければならない。もちろん距離が遠く、光自体が微かなだけに、意味のあるスペクトルを得るまでにはさらなる観測が必要だ。ただし、ジェイムズ・ウェッブはあまりに人気が高く競争が激しいため、遠い距離から飛んでくる微かな光一つだけを観測するために、他人よりも長い時間を割くことは現実的に難しい。
さらに困った点は、そもそもこの天体が非常に波長が長い赤外線領域でしか姿を見せないため、ハッブル宇宙望遠鏡をはじめとする他の望遠鏡ではそもそも見えないという点だ。この天体を見ることができるツールはジェイムズ・ウェッブだけだ。したがって、ジェイムズ・ウェッブが今後どれだけこの天体を観測できるかによって、この天体の正体を突き止められるかどうかも変わってくる。
参考
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2025arXiv250901664G/abstract
筆者のチ・ウンベは？猫と宇宙を愛する。幼い頃『銀河鉄道999』を見て、宇宙の美しさを広める夢を持つようになった。現在、世宗大学校自由専攻学部助教授として、講演や執筆など多様な科学コミュニケーション活動を行っている。『毎日宇宙の一欠片』、『星が輝く宇宙の科学者たち』、『行けないが知っている』、『宇宙を見ると浮かぶ奇妙な質問たち』などの本を執筆し、『銀河ヒッチハイク・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。