ウェッブ望遠鏡が、存在しないはずの謎の銀河を発見

2023年2月、ネイチャー誌はウェッブ望遠鏡の重要な発見を発表しました。それは、存在しないはずの高赤方偏移銀河をいくつか発見したということです。これらの銀河の星の質量は非常に大きく、宇宙に関する私たちの既存の理解を覆すほどです。なぜ初期の巨大な星の存在が私たちの宇宙観を変えることができるのでしょうか?

これらの銀河について話すには、まず宇宙についての理解から始める必要があります。ビッグバンモデルによれば、宇宙は138億年前のビッグバンの後、高密度で高温の特異点の膨張によって形成されたとされています。その提案は、実際には一連の観察証拠に基づいています。 1924年、アメリカの天文学者ハッブルは、当時のアンドロメダ銀河と地球との距離が、私たちが知っている天の川銀河の大きさよりも大きいことを初めて発見し、アンドロメダ銀河は実際には天の川銀河の外側に位置する銀河であると提唱しました。その後もハッブルはさらに多くの銀河系外銀河を発見し続けました。彼はさらに多くの銀河系外銀河を発見しただけでなく、銀河が天の川銀河から遠くなるほど、より速く遠ざかるという驚くべき現象も発見しました。これは現在ハッブルの法則として知られているものです。

このような観測的根拠に基づき、アメリカの物理学者ガモフは1946年にビッグバン宇宙モデルを正式に提唱しました。爆発の初めには、物質は中性子、陽子、電子、光子、ニュートリノなどの基本粒子の形でしか存在できませんでした。ビッグバン後の継続的な膨張により、温度と密度が急激に低下しました。温度が下がり冷却されると、原子と分子が徐々に形成され、通常のガスに再結合します。ガスは徐々に凝縮して星雲となり、さらに様々な星や銀河が形成され、最終的に現在私たちが目にしている宇宙が形成されました。

1964年、アメリカのベル電話会社のペンジアスとウィルソンは、巨大なホーン型アンテナのデバッグ中に予期せぬ無線干渉ノイズを受信しました。すべての方向の信号強度は同じで、数か月間変化しませんでした。彼らは多大な努力の末、これが今日まで残っているビッグバンの遺物であることに気づきました。

1970年代、アメリカの天文学者ヴェラ・ルービンは、近くの銀河の星の動きを観察して暗黒物質の存在を提唱しました。 20年以上経って、米国とオーストラリアの科学者たちは、現在の宇宙は減速しているどころか、加速して膨張していることを発見しました。この観測事実に基づいて、彼らはさらに宇宙に暗黒エネルギーが存在すると提唱しました。暗黒エネルギーのおかげで、宇宙は60億年前に加速的に膨張し始めました。これは、今日私たちが知っている宇宙論の基本的な常識です。

太陽系、Tuchong.com からの写真

したがって、私たちの理解によれば、私たちの宇宙は、通常の物質、暗黒物質、暗黒エネルギーの 3 つの種類で構成されているはずです。私たちの知る限り、宇宙の星や銀河も、無から有へと変化する過程を経てきました。宇宙の初期には一定期間温度が非常に高かったため、星や銀河は存在しませんでした。後期になって、宇宙が膨張するにつれて、ガスの温度は徐々に低下しました。現在の宇宙論モデルでは、星と銀河が形成されたと考えられています。しかし、銀河は当初は比較的小さかった。銀河同士の衝突により、銀河は時間の経過とともに大きくなってきました。ですから、宇宙も小さいものから大きいものへと過程を経てきたことがわかります。これが、私たちが現在考えている宇宙モデルです。私たちの目標の一つは初期宇宙を理解することです。そこで2021年に、初期宇宙を見ることができるウェッブ望遠鏡が打ち上げられました。

ウェッブ望遠鏡を使った観測により、宇宙の年齢が現在のわずか3%だった頃は、銀河の質量は予想通り非常に小さかったはずであることが判明しました。しかし、発見された銀河の星の質量は太陽の100億倍だった。銀河系の星の質量は太陽の1000億倍にもなり、天の川銀河の質量に近い。科学者たちは合計6つの類似した銀河を発見した。これは宇宙の銀河の起源に関する人類の理解を変えるかもしれない。科学者たちはこれらの銀河を、既存の宇宙論モデルの99%に反するものとして「宇宙のルールを破る銀河」と呼んでいる。彼らは、そのいくつかは超大質量ブラックホールである可能性があると推測したが、一度に6個発見される可能性は低く、そのいくつかは実際の銀河である可能性も十分にある。

新たな研究で発見された星は、科学者がこれまで考えていたよりも100倍も重い。科学によれば、そのような銀河は宇宙の誕生後すぐにはそれほど大きく成長しないはずである。この時点では、小さくて若い赤ちゃん銀河しか見つからないだろうと予想していましたが、実際には、宇宙の夜明けと以前は考えられていた時代に、私たちの天の川銀河と同じくらい成熟した銀河を発見しました。もちろん、この観察の結果を検証するには、さらなる観察が必要です。

これらの銀河がさらに確認されれば、人類が初期宇宙の進化の歴史について理解していたことが間違っていた可能性があり、銀河は人類が認識しているよりもはるかに速く進化しているということになります。これには、これまでの宇宙モデルの変更、または銀河の起源に関する人間の理解の変更が必要です。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者: 郭 立軍 (中国科学院大学教授)

査読者: ハン・ウェンビオ (中国科学院上海天文台研究員)

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司