[비즈한국] 今の宇宙には、数え切れないほど非常に多くの星が存在している。最初から宇宙にこれほど多くの星があったわけではない。太古の宇宙には星も銀河もなかった。ただ非常にわずかな量子力学スケールで起きる、小さくかすかな混沌が広がっているだけだった。退屈な暗闇だけに満ちていた宇宙に、いつの頃からか一つ、また一つと星の光が満たされ始めた。
確かに宇宙の歴史には、初めて暗闇を照らした最初の星が存在した。天文学ではこのような星を「Pop III星」と呼ぶ。第一世代の星は宇宙の歴史を通して確実に存在したはずだが、あまりに遠い過去のことなので、まだその実体を直接見たことはなかった。いや、そう思われていた。もしかすると私たちはすでに、これほどまでに探し求めていたPop IIIの星の光を、有名な観測現場で目にしていたのかもしれない。
天文学では、星の世代を大きくPop IとPop IIに分類する。太陽や周辺の若い星々はPop I星である。太陽よりも年齢が高く、約100億年ほど経過した星はPop II星だ。星の世代は、星が含む重元素の含有量で区別される。世代を重ねるごとに、星はより重い元素を宇宙に残して去っていく。まだ重元素が多くない過去に生まれた古い星は重元素含有量が少なく、一方で宇宙に重元素が広く行き渡った後に生まれた若い星は、より多くの重元素を宿している。
Pop II星は、今日観測できる球状星団に多く集まっている。しかし、これですら宇宙最初の星ではない。それよりもさらに前に遡る、真の第一世代が存在した。だからこそPop IIより前の「Pop III星」と呼ぶ。これらの星はビッグバン直後に初めて誕生した星だろう。水素とヘリウムを除いた他の重元素が全くなかった時代に作られたはずだ。つまり、重元素含有量が完全にゼロでなければならない。
これまで、このような星が実際の観測で確認されたことは一度もない。残念ながら、Pop III星は質量が非常に大きいために、安定して輝き続ける期間があまりにも短いからだ。宇宙の年齢に比べれば、あまりにも短い刹那に輝いてはすぐに消えてしまった可能性が高い。今になってどれほど遠い宇宙を探し回っても、現役時代のPop IIIを直接見る機会は非常に少ない。
近年、時折Pop IIIに匹敵するほど純粋な星が発見されることはある。しかし、そうはいっても重元素含有量が比較的少ない星に過ぎない。重元素を全く含まない、真のPop III星は未発見だ。仮に存在したとしても非常に遠くにあるはずなので、個別の星の光一つを捉えるのは困難だろう。それならば、Pop III星だけが集まっている最初の銀河を見ることは期待できないだろうか？
宇宙の端で発見された代表的な銀河に「GN-z11」がある。ハッブル宇宙望遠鏡が観測した最も遠い銀河の一つで、最近ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡がさらに詳細な観測を行った。この銀河は、ビッグバンからわずか4億年しか経過していない、非常に幼い姿を留めている。宇宙に何の星も銀河も輝いていなかった、いわゆる暗黒時代の境界に位置している。
ところが、この現場には驚くべき存在が隠れていた。あまりにぼやけていて見過ごしやすい非常に小さな斑点が、GN-z11銀河のすぐ隣に現れたのだ。ジェームズ・ウェッブが可視光よりも波長の長い赤外線を観測したおかげで、ようやく姿を現した。この小さな斑点からは、金属成分があれば現れるはずの金属線の痕跡が全く見られない。代わりに、非常に強いヘリウムIIの放出線が現れる。炭素や窒素のような金属はほとんどなく、ひたすらイオン化したヘリウムだけが非常に多く存在するという意味だ。ヘリウムがイオン化するには非常に高温でなければならない。ここの温度が少なくとも10万Kを超えており、ヘリウムが一斉にイオン化されているということだ。これほど純粋で、熱くイオン化したヘリウムで満たされていることは、まさにPop IIIの星の光に期待される特徴と一致する。
驚くべきことはこれだけではない。その後の追加観測で、全く同じ斑点からイオン化したヘリウムだけでなく、水素の痕跡まで検出された。つまり観測ミスではなく、確かに一箇所に金属の痕跡が全くなく、ひたすら水素とヘリウムだけが集まった場所があることを意味する。Pop IIIの可能性がさらに高まった。この怪しい現場がすぐ隣のGN-z11銀河と似た距離にあるのが確かならば、この斑点は中心銀河から約3000光年離れていると見ることができる。
詳しく見てみると、その斑点は大きく二つの領域に分かれる。それぞれ「C1」「C2」領域と区分する。その中でC1は、本当にどんな金属成分の痕跡も見当たらない、非常に純粋な水素とヘリウムの塊に見える。非常に純粋なPop III星が集まった領域かもしれない。一方でC2は、相対的に重い他の元素で少し汚染されているように見えるが、直前に起きた超新星爆発の影響かもしれない。
まとめると、この斑点は純粋にPop III星だけが集まっている星団と、その周辺でちょうど超新星が爆発し、金属成分の汚れが混じりながら、次世代のPop II星が続々と誕生している現場と言える。宇宙史上、最初の世代の星から次の世代へと移り変わる、宇宙最初の世代交代の現場かもしれない！天文学者たちはこの斑点に、ギリシャ神話で若さを象徴する女神の名前「ヘベ」を愛称として付けた。
GN-z11銀河は宇宙初期の銀河だが、中心にブラックホールを宿している。しかし、ブラックホールだけのエネルギーでは、その体格の割にあまりにも明るく見えるGN-z11の姿を完璧に説明できない。おそらくこの銀河に、進化段階を経て死を目前にした、重くて明るい星が混ざっているからだと見ることができる。それなら、すでにかなり汚染された金属成分の痕跡も鮮明に現れるはずだが、そうではなかった。この矛盾を解消できる説明は、GN-z11銀河にも純粋で眩いPop III星がかなり多く集まっているということだ。
かすかだが強烈な「ヘベ」の斑点の中の光を分析した結果、ここには概ね太陽質量の10倍から100倍の重い星がより多く集まっているものと見られる。観測されたヘベのスペクトルと光の特徴を説明するには、軽い星に比べて重い星が多く集まっている必要がある。これは私たちが期待するPop III星の姿と一致する。太古の星は現在よりも質量がはるかに重くなり、自然と星の寿命は非常に短くなる。
このように強烈な太古の星の光は、周辺の宇宙空間の水素雲を一瞬でイオン化させたはずだ。ヘベの斑点に現れるイオン化された水素とヘリウムの放出線は、そのような可能性を立証している。こうして宇宙が丸ごとイオン化され、すべての原子が破壊されて、宇宙は一度、透明な時期を過ごした。この時期をビッグバン直後の「再電離期」と呼ぶ。もし今回発見されたヘベの斑点が本当にPop III星だけが集まっている宇宙最初の世代の星団であるならば、ついに再電離期の現場を直接目にすることができた最初の事例となるだろう。文字通り、宇宙の暗闇が終わり、本格的な光の時代へと入るその扉の時代、宇宙の夜明けを見たのである。
このように頭上で輝く星を眺めながら、宇宙の時間に思いを馳せることができる新刊『地球人へ、星から（原題：지구인에게, 별로부터）』を紹介する。私たちが肉眼で見ることのできる非常に馴染み深い星々、オリオン座のベテルギウス、さそり座のアンタレスといえば、誰もが星座や神話の話を思い浮かべるだろう。しかし天文学者たちは、そうした物語にはあまり関心がない。その代わりに、星の光が宿す宇宙の秘密、夢想家たちの偉大な発見、そしてその星の光が私たちの歴史に残したインスピレーションや痕跡を思い浮かべる。
ある者は星の光を見て王を翻弄し、またある者は星の光を見て自由を目指す大移住を夢見た。また、遥か昔に海を渡った航海者たちの道しるべとなった星は、今や太陽系を離れる探査機たちの道しるべにもなっている。
私たちはなぜ星の光を眺めるのか？それにどのような意味があるのか？数年前、あるインタビューで「なぜ星を眺めるべきなのか」という質問に、私はこう答えたことがある。「数千光年を飛んできた星の光が、誰の瞳にも触れることができなかったら、その星の光はどれほど寂しいだろうか」。もしかすると、理解とはそのようなものなのかもしれない。
歴史上初めて望遠鏡で星を眺め、宇宙の秘密に迫った天文学者ガリレイは、自身の発見を綴った本にこんな素晴らしいタイトルを付けた。『星界の報告（Sidereus Nuncius）』。直訳すれば「星の便りを伝える」という意味だ。星の光を眺め、空に耳を傾けるということは、まさにこういうことだ。『地球人へ、星から』は、まさに星が私たちに向けて出した手紙である。星が送り、私たちが受け取る手紙。夜空で最も明るく輝く、12の星の光が送ってきた138億年分の手紙の物語を紐解いてみてほしい。
参考
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2026arXiv260320362M/abstract
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2026arXiv260320363R/abstract
筆者チ・ウンベは？猫と宇宙を愛している。幼い頃『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、世宗大学校自由専攻学部助教授として、講演や執筆など様々な科学コミュニケーション活動を行っている。『毎日、宇宙の一かけら』、『星が輝く宇宙の科学者たち』、『行けないけれど知っている』、『宇宙を見ると浮かぶ不思議な質問たち』などの著書があり、『本当の宇宙を旅するヒッチハイカーのための案内書』、『私はどうして冥王星を殺したのか』、『クォンタム・ライフ』、『コスミグラフィック』などを翻訳した。