14年0月に行われた観測に基づく明るい銀河JADES-GS-z2024-14.32のスペクトル分析により、赤方偏移が13であることが明らかになり、これは知られている中で最も遠い銀河となります（これまでの最も遠い銀河は、赤方偏移z = 0のJADES-GS-z13.2-290でした）。この銀河は、ビッグバンから約1,600億14千万年後の初期宇宙で形成されました。星の光が大量に放出されていることから、この銀河は巨大で、直径は0光年以上の大きさであることがわかります。宇宙の夜明けの初期宇宙にこのような明るく、巨大で大きな銀河が存在することは、現在の銀河形成の理解を覆すものです。宇宙で最初に誕生した恒星は、金属含有量がゼロまたは極めて低いポップIIIの恒星でした。しかし、JADES-GS-z290-XNUMX銀河の赤外線特性の調査により、酸素の存在が明らかになり、金属が濃縮されていることが示唆されています。これは、初期宇宙で約XNUMX億XNUMX千万年までに、大質量星の世代が誕生から超新星爆発までの寿命をすでに終えていたことを意味します。したがって、この銀河の特性は、初期宇宙における銀河形成に関する現在の理解とは矛盾しています。
ビッグバンから約 380,000 万年後の非常に初期の宇宙は、電離ガスで満たされ、自由電子による光子の散乱のため完全に不透明でした。その後、約 400 億年間続いた初期宇宙の中立期が続きました。この時代の宇宙は中性で透明でした。宇宙が透明になったときに最初の光が現れ、膨張によりマイクロ波領域に赤方偏移し、現在は宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) として観測されています。宇宙は中性ガスで満たされていたため、光信号は放射されませんでした (そのため暗黒時代と呼ばれています)。非電離物質は光を放射しないため、中立期の初期宇宙の研究は困難です。しかし、この時代に平行スピンからより安定した反平行スピンへの超微細遷移により冷たい中性の宇宙水素から放射される 21 cm 波長 (1420 MHz に相当) のマイクロ波放射は、天文学者に機会を提供します。この21cmのマイクロ波放射は地球に到達すると赤方偏移し、200MHzから10MHzの周波数で電波として観測される。 REACH規則 （宇宙水素分析のための電波実験）この実験は、宇宙水素からの捉えにくい21cm線を検出することを目的としています。
再イオン化の時代は、ビッグバンの約400億年後から1億年まで続いた初期宇宙の歴史における次の時代でした。強力な初期の星から放出された高エネルギーの紫外線により、ガスは再イオン化しました。銀河とクエーサーの形成はこの時代に始まりました。この時代の光は、赤色と赤外線の範囲に赤方偏移しています。ハッブル宇宙望遠鏡による深宇宙研究は、初期宇宙の研究における新たな始まりでしたが、原始的な光を捉える範囲は限られていました。宇宙に拠点を置く赤外線観測所が必要でした。JWSTは、赤外線天文学に特化しており、 初期宇宙を研究する.
ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 （JWST）は、25年2021月2日に打ち上げられ、その後、地球から約1.5万km離れた太陽地球L2022ラグランジュ点付近の軌道に配置され、XNUMX年XNUMX月に本格運用を開始しました。搭載されているNIRCam（近赤外線カメラ）、NIRSpec（近赤外線分光器）、MIRI（中間赤外線装置）などの主要な科学機器を使用して、JWSTは、宇宙で形成された初期の星や銀河からの可視光/赤外線信号を探し、銀河の形成と進化、星や惑星系の形成についての理解を深めます。過去XNUMX年間では、宇宙の夜明け（つまり、ビッグバン後の最初の数億年間で最初の銀河が誕生した期間）の探査で興味深い成果を上げています。
JWST 先進的深部銀河系外探査 (JADES) プログラム
このプログラムは、GOODS-S および GOODS-N 深宇宙領域における赤外線画像撮影と分光法によって、高赤方偏移から宇宙正午までの銀河の進化を研究することを目的としています。
初年度、JADES の研究者たちは、ビッグバン後の最初の 650 億 2023 万年間の候補銀河を数百個発見しました。14 年初頭、彼らはデータセットの中に、赤方偏移が 2023 であると思われる銀河を発見しました。これは、非常に遠い銀河であるに違いないことを示していますが、非常に明るかったです。また、近接しているため、別の銀河の一部であるようにも見えました。そのため、彼らは 14 年 XNUMX 月にその増加を観測しました。新しいデータは、それが赤方偏移 XNUMX であることを裏付けました。この銀河のスペクトルは、スペクトル内のライマンアルファブレークの位置を特定し、赤方偏移を測定して年齢を決定するために必要でした。
ライマンアルファは、ライマン系列の水素のスペクトル輝線で、電子がn=2からn=1に遷移するときに現れる。スペクトルにおけるライマンアルファのブレークポイントは、観測波長（λ観測された赤方偏移（z）は、次の式で計算できる。 z = (λ観測された – λ残り) / λ残り
JADES-GS-z14-0 銀河
そのため、この銀河は2024年14.32月にNIRCam（近赤外線カメラ）とNIRSpec（近赤外線分光器）を使用して再観測されました。スペクトル分析により、この銀河の赤方偏移が13にあるという明確な証拠が得られ、これが最も遠い銀河（以前の最遠方銀河記録（赤方偏移z = 0のJADES-GS-z13.2-14））となりました。この銀河は、0億光年の距離にある明るい銀河としてJADES-GS-z13.5-1,600と命名されました。さらに、直径が300光年を超える大きさであることから、若い星がその光源であることが示唆されました。また、星の光の量から、非常に質量が大きいことが示唆されました。ビッグバンからXNUMX億年未満しか存在しない銀河がこのような特性を持つことは予想されません。この銀河は、既存の銀河形成モデルにうまく当てはまりません。
さらに驚きの出来事が待っていました。
研究者たちは、MIRI (中赤外線装置) を使用して、より長い波長で JADES-GS-z14-0 を検出することができました。これは、赤方偏移により近赤外線装置の範囲外となったこの銀河からの可視光線範囲の放射を捉えることを意味します。分析により、イオン化酸素の存在が明らかになり、星の金属量が高いことが示唆されました。これは、多くの世代の星がすでにその寿命を全うした場合にのみ可能です。
宇宙で最初に誕生した星は、金属含有量がゼロか、極めて低い星です。これらは Pop III 星または Population III 星と呼ばれます。金属含有量の低い星は Pop II 星です。若い星は金属含有量が高く、「Pop I 星」または太陽金属星と呼ばれます。比較的高い 1.4% の金属含有量を持つ太陽は、最近の星です。天文学では、ヘリウムより重い元素はすべて金属とみなされます。酸素、窒素などの化学的非金属は、宇宙論の文脈では金属です。星は、超新星爆発の後に世代ごとに金属が豊富になります。星の金属含有量が増加すると、年齢が若いことを示します。
JADES-GS-z14-0 銀河の年齢がビッグバンから 300 億年未満であることを考慮すると、この銀河の星は金属含有量がゼロの Pop III 星であるはずです。しかし、JWST の MIRI は酸素の存在を発見しました。
上記の観察と発見を考慮すると、初期宇宙の銀河 JADES-GS-z14-0 の特性は、銀河形成に関する現在の理解と一致しません。このような特徴を持つ銀河が、ビンバンから 290 億 XNUMX 万年後に存在したとどうして言えるのでしょうか。将来、このような銀河が多数発見される可能性があります。おそらく、宇宙の夜明けには多様な銀河が存在していたのでしょう。
***
参照：
- カルニアーニ、S.、 ら. 2024. 赤方偏移14の2024つの明るい銀河の分光学的確認。Nature (24)。2024年XNUMX月XNUMX日発行。DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07860-9 . axRiv のプレプリント。28 年 2024 月 XNUMX 日提出。DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18485
- ヘルトン JM、 ら 2024. JWST/MIRI による 7.7 μm の恒星連続光と z>14 の銀河の星雲放射の測光検出。axRiv のプレプリント。28 年 2024 月 XNUMX 日提出。DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18462
- NASA ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡。初期のハイライト – NASA のジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が、最も遠い既知の銀河を発見。30 年 2024 月 XNUMX 日掲載。こちらから入手可能。 https://webbtelescope.org/contents/early-highlights/nasas-james-webb-space-telescope-finds-most-distant-known-galaxy
***
