宇宙最初の星々が宇宙背景放射に残した痕跡を初検出

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ビッグバンから1億8000万年後という宇宙の歴史のごく初期に「宇宙最初の恒星」が生まれた証拠となる電波信号が初めて検出された。

【2018年3月6日 米国国立科学財団

私たちの宇宙は約138億年前にビッグバンと呼ばれる超高温の状態から誕生したと考えられている。ビッグバンから約38万年が経ったころには宇宙の温度が下がり、中性の水素原子が作られた。このころの宇宙には、物質は中性水素ガスとダークマターしか存在せず、光を放つ天体は生まれていなかった。「宇宙の暗黒時代」と呼ばれるこの時代は、数億年にわたって続いたと考えられている。

やがて、物質密度の高い部分が重力で集まって収縮し、最初の恒星や銀河が生まれると、恒星から放射される強い紫外線によって中性水素ガスはすべて電離された。この「宇宙の再電離」によって宇宙の暗黒時代は終わったとされる。しかし、宇宙最初の恒星がいつ生まれ、再電離がいつごろ起こったのかなどはいまだに確定しておらず、この時代の宇宙史を解明することは天文学の最優先目標の一つとなっている。

初期宇宙のモデルによると、宇宙で最初に誕生した恒星は質量が大きく、青色の高温星で寿命が短かったと予想される。しかし光学望遠鏡ではこの時代の宇宙は遠すぎて観測できない。そこで、米・アリゾナ州立大学のJudd BowmanさんたちはEDGES(Experiment to Detect the Global EoR (Epoch of Reionization) Signature)と呼ばれる観測プロジェクトを立ち上げ、宇宙最初の星々が放射した紫外線によって「宇宙マイクロ波背景放射(CMB)」に生じる変化を検出するという方法で、最初の恒星の間接的な証拠を探し求めてきた。

水素原子は波長21cmの電波(21cm線)を吸収・放出する性質を持つ。宇宙最初の恒星が生まれ、暗黒時代の宇宙を満たしていた中性水素ガスが星からの紫外線を受けると、紫外線の影響で水素原子の特性が変わり、21cm線を放出するよりは吸収する傾向が強くなる。そのため、CMBの電波強度を精密に観測すると、21cm線の吸収の跡がシルエットのように現れるのだ。

BowmanさんたちのEDGESチームは電波観測から、最初の恒星の影響でCMBの強度がはっきりと低下している痕跡を検出することに初めて成功した。さらに、吸収が現れている周波数の範囲から、最初の恒星が生まれたのはビッグバンからおよそ1億8000万年後であることも明らかにした。「今回見つかったかすかな信号によって、初期宇宙の新たな窓が開きました。光学望遠鏡ではこれほど古い時代の星を直接撮影することはできませんが、私たちはこれらの星々がいつ活動を始めたのかを、宇宙からの電波で観察してきました」(Bowmanさん)。

宇宙で最初に生まれた恒星の想像図
宇宙で最初に生まれた恒星の想像図(提供:N.R.Fuller, National Science Foundation)

宇宙最初の星々が一生を終えると超新星爆発を起こし、後にはブラックホールなどが残される。このような超新星爆発やブラックホールが増えてくると、残っている中性水素ガスはX線で強く加熱され、21cm線を吸収する性質を失う。今回の観測結果から、このような天体が増えた年代がビックバンの約2億5000万年後であることも明らかになった。

今回のような電波観測にとって、地球上で使われている様々な電波は探索の妨げとなる。今回のCMBの変化は周波数が65MHzから95MHzの範囲で検出されたが、この周波数帯はFMラジオ放送で最も広く使われる周波数と重なっている。それだけでなく、出力の大きな電波は天の川銀河からも放射されている。「CMBの変化を検出するには大きな技術的ハードルがありました。ノイズ源からの電波は私たちが見つけようとしている信号より1万倍も強いこともあります。これはハリケーンのまっただ中でハチドリの羽ばたく音を聴こうとするようなものです」(米国国立科学財団 Peter Kurczynskiさん)。

今回、この信号が本物であることが確認された一方で、新たな疑問も生まれている。今回検出された吸収の痕跡は理論予測よりも強度が2倍も大きかったのだ。研究者たちは、暗黒時代の中性水素ガスが推定よりも低温だったか、または当時のCMBの温度が推定よりも高かったかのどちらかではないかと考えている。あるいは別の可能性として、ダークマターと通常物質との相互作用を考えることでこの食い違いを説明できるかもしれない。「もしこの説が正しいと確認されれば、ダークマターについて新たな根本的事実を見つけたことになります。これによって標準模型を超える物理の手がかりが得られるかもしれません」(Bowmanさん)。