中国の科学者はどのようにして天の川銀河最古の恒星の残骸を発見したのでしょうか?

138億年前、宇宙が初めて誕生したとき、ビッグバンによって大量の水素、ヘリウム、そして極微量のリチウムが生み出されました。このような環境の中で、私たちの宇宙の第一世代の星が誕生し、初めて宇宙全体を照らしました。

2005年、サイエンス誌は創刊125周年を記念して、最も難しい科学的問題125個を発表し、第一世代の星もそのリストに含まれていました。今日に至るまで、第一世代の星の特性は解決すべき重要な科学的問題であり、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の主要な科学的目標の 1 つでもあります。

第一世代のスターたちはどんな姿だったのでしょうか?伝説によれば、それらは非常に大きくて重いと言われていますが、実際にはどれほど大きいのでしょうか?太陽が50個？それとも太陽百個ですか?これらの疑問は長年天文学者を悩ませてきました。

しかし、つい最近の2023年6月7日、国際学術誌「ネイチャー」は中国の天文学者らが主導した重要な発見をオンラインで発表した。彼らは初めて、天の川銀河の第一世代の超大質量星の死後に残された残骸を発見し、この残骸が対不安定性超新星（PISN）に由来することを確認した。つまり、この第一世代の星の質量は太陽の 260 倍にもなります。それはまさに超大質量星です。

中国の天文学者がこの大発見をするのを助けた重要な人物の1人が、我が中国が独自に開発したLAMOST望遠鏡（郭守景望遠鏡とも呼ばれる）です。 LAMOST は、望遠鏡の大口径と広い視野の両方を実現するという技術的なボトルネックを打破しました。これは現在、世界最大の大口径望遠鏡です。また、1000万個を超える天の川銀河の星々のスペクトルを公開する世界初の天体調査プロジェクトも完了した。

LAMOST は、天の川銀河の構造と進化、多帯域天体の相互識別、銀河物理学という 3 つの中核的な科学的目標に焦点を当て、5 年間のスペクトル調査の第 1 フェーズを無事に完了し、調査の第 2 フェーズも完璧な終了を迎えようとしています。最新の第10回データ公開では、LAMOSTが取得したスペクトルデータの量は、世界の他の調査望遠鏡が公開したスペクトル総数の2.9倍に達しました。このような豊富で膨大な観測データを利用して、国内外の天文学者は天の川の研究、恒星物理学、特殊天体の探索の分野で多くの興味深く重要な科学的発見をしてきました。たとえば、天の川銀河の幼少期の成長過程の解明、最も質量の大きい恒星ブラックホールの発見、天の川銀河内の銀河間移民星の追跡、恒星の初期質量関数の書き換えなどは、いずれも国際的な影響力を持つ重要なブレークスルーです。

星空の模式図、画像はTuchong.comより

最初の世代の星に戻りましょう。これらの祖先星のほとんどは大きくて明るかったが、寿命は極めて短かった。既存の観測能力の限界と相まって、今日私たちは一時的に第一世代の星を直接見ることができません。それで、この発見はどのようにしてなされたのでしょうか?第一世代の星は成長の過程でリチウムよりも重い金属元素を合成・生成し、その短い寿命の終わりに超新星爆発によって生成したさまざまな金属元素を放出し、周囲の星間塵の中に埋めました。

第二世代の星はこの塵の中から生まれました。これらの惑星の表面大気は第一世代の星の特性を完全に保持しており、その寿命は今日まで生き残り、私たちが見ることができるほど長いものでした。言い換えれば、それらは宇宙の化石に相当するのです。これらの化石星を発掘し、その特性と組成を分析することで、形成時の環境を逆転させ、第一世代の星の外観を再構築することができます。これらの化石星は極めて稀であるため、LAMOST によって提供された膨大なデータは、この発見の成功にとって重要な「スクリーニング」データベースも提供しました。

今回、私たちはこれまでで最も質量の大きい第一世代の恒星、太陽の260倍以上の重さを持つ「太ったやつ」の確認に成功しただけでなく、特殊な超新星の存在も初めて確認しました。通常、太陽の100倍未満の質量を持つ第一世代の恒星は、中心核の崩壊を伴う超新星爆発という形でその生涯を終えます。第一世代の恒星は質量が太陽の140～260倍ですが、中心核で生成された陽電子と電子の対が恒星内部の放射圧を弱め、恒星が崩壊して対不安定性超新星を形成します。これまで、不安定な超新星は伝説のようなもので、理論上だけ知られていました。そして今回、中国の天文学者たちがついにその存在を確認したのです。

今後は、LAMOSTや中国宇宙ステーションプロジェクト調査望遠鏡など中国製の天文観測機器の協力を得て、より大規模な宇宙化石サンプルを構築し、第一世代の星の質量の分布パターンを再把握し、元素の起源を明らかにし、初期宇宙における星や銀河の誕生と成長の姿を再現していきます。

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: 李海寧

査読者：中国科学院上海天文台研究員 ハン・ウェンビオ

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