ビッグバンから10億年、炭素をほとんど含まない銀河

ビッグバンの直後、通常の物質はほとんど水素とヘリウムだけだった。それより重い元素、炭素、酸素、鉄などはすべて、その後に恒星の内部で作られ、恒星の爆発によってまき散らされた。

これは、恒星がどのように生まれるかに関わってくる。収縮するガス雲は縮むにつれて熱くなり、分裂して恒星になるには、その熱を捨てなければならない。現在の宇宙では、冷却の大部分を炭素や酸素のイオンが担っており、ガス雲はあらゆる大きさの恒星に分かれる。その多くは太陽より小さい。こうした元素がなければ、最初のガス雲は水素分子を通じてしか冷えることができなかった。ガス雲は大きな塊に分かれ、そこからできた恒星はほとんどが大質量だった。

「通常の」星形成に切り替わるには、どれほどの炭素と酸素が必要なのだろうか。ごくわずか、太陽の含有率のおよそ3000分の1だ。この閾値はあまりにも速く越えられたので、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡によるものも含め、これまでに輝いている姿が観測された遠方の銀河はどれも、見えるほど明るくなった時点ですでにこの値を大きく上回っている。

クエーサーの光でガス雲を読む

始原的なガスを見つける方法はもう一つある。背後にあるもっと明るい天体の光を、そのガスに吸収させるのだ。ハイデルベルク大学のサラ・ボスマン、マックス・プランク天文学研究所のフレデリック・デイヴィスと23人の共同研究者は、赤方偏移4.5から5.5の間にある最も明るい30個のクエーサーを、GHOSTで調べている。GHOSTは、2024年にチリのジェミニ南望遠鏡に設置された分光器で、彼らによれば、これまでに作られた中で最も感度の高い高分解能分光器だ。

クエーサーJ1941−4500の光は、中性水素の濃いガス雲を通り抜けている。「減衰ライマンα吸収系」と呼ばれるもので、銀河の星形成領域から数キロパーセク以内にあると考えられているガスの貯蔵庫だ。ガス雲の中の元素は、それぞれ固有の波長で光を吸収する。5.8時間の露光の後、チームはケイ素、酸素、炭素を測定できた。鉄はまったく検出されなかった。

これまでで最も始原的なガス雲

UMP-DLA-1と名づけられたこのガス雲は、赤方偏移5.14、ビッグバンから約11億年後の位置にある。その数値は次のとおりだ。

炭素:水素に対する比で、太陽の1万1000分の1(最新の太陽の基準値を使えば約1万6000分の1)。
酸素とケイ素:太陽の約5000分の1。
これは、以前に知られていた同種のどのガス雲と比べても、酸素とケイ素では3倍以上、炭素では4倍乏しい。鉄についても最も乏しい。
ヘリウムより重い元素の質量比の合計は、100万分の3.16。

著者らは炭素と酸素を一つの数値にまとめている。ガス雲が十分に冷えられるかどうかを予測する「遷移判別式」だ。

D_trans = log₁₀ (10^[C/H] + 0.3 × 10^[O/H])

この値が−3.5を下回ると、ガス雲は太陽質量程度より小さい恒星へと収縮できない。UMP-DLA-1の値は**−3.85**だ。この線より下で見つかったガスの貯蔵庫はこれが初めてであり、金属量が低いというだけで、そこでできた恒星がほとんど重いものだったことが保証される。

初期宇宙の、遅れて残ったポケット

これは、ほぼ手つかずのガスの中で、主に大質量星からなる星形成が、最初の恒星が現れてからずっと後になっても、さらには宇宙再電離の時代が終わった後でさえ、まだ起こりえたことを意味している。

このガス雲の化学組成は、そうした大質量で金属の乏しい恒星が爆発したときに残したものの見本でもある。炭素は酸素よりわずかに少なく、酸素とケイ素は太陽と同じ比率だ。このパターンだけでは、その恒星が本当に第一世代だったのか、それとも初期の第二世代だったのかはわからない。しかしこれは、以前の研究で、第一世代の恒星のわずか1〜30個の超新星に由来するとされた、もっと後の時代のガス雲と一致している。著者らは、最初の恒星の痕跡を探すには、赤方偏移20を超えるはるか昔をのぞくより、赤方偏移7未満に残された始原的なガスのポケットを探すほうが実りが多いかもしれないと示唆している。

天の川銀河の近くにある小さな矮小銀河の中の、非常に古く、非常に金属の乏しい恒星のいくつかは、同じ化学的特徴をもっている。著者らは、それらがこのような銀河で生まれた小さな恒星の最後の生き残りである可能性は「十分にある」と述べている。

幸運か、ありふれたものか

わずか30個のクエーサーの中からこのようなガス雲が見つかったのは驚きだ。この探査がとてつもなく幸運だったのでない限り、と著者らは書いている。初期宇宙の濃い水素吸収に埋もれて、既存のスペクトルの中にもこうしたガス雲がもっと隠れているかもしれない。欧州超大型望遠鏡(ELT)のような将来の巨大望遠鏡を、ユークリッド衛星が発見する暗いクエーサーに向ければ、全数調査ができるはずだ。今のところ、UMP-DLA-1はただ一つの天体であり、そのガスが一つの塊として動いているという仮定のもとで測定されている。著者らはこの仮定を、飽和した吸収線がないことで裏づけている。