ブラックパール：ビッグバンから5億年後の塵の指紋

ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、宇宙の歴史の最初の10億年のうちに、銀河が驚くほど速く金属と塵で満たされていったことを次々と見つけている。それほど遠くの塵を調べるのは難しい。塵そのものが熱で放つ光は、検出がきわめて困難だからだ。だが塵は、そこを通り抜ける星の光にも痕跡を残す。そしてそのひとつが、とりわけ多くを物語る。

紫外線のくぼみ

天の川銀河では、塵は紫外線を、2,175オングストローム付近を中心とする幅の広い「バンプ（こぶ）」で暗くする。スペクトルのくぼみであり、私たちの銀河の減光曲線で最も目立つ特徴だ。これは一般に、炭素に富む小さな粒子や分子によるものと考えられているが、正確にどれなのかはまだ議論が続いている。小さなグラファイト粒子、多環芳香族炭化水素（PAH）、非晶質炭素などが候補だ。天の川銀河のなかでも視線方向によって、バンプの幅と強さは変わるが、中心の位置は驚くほど安定している。

ウェッブは、この探索を初期宇宙にまで広げた。画期的な検出は、赤方偏移6.71、ビッグバンから約8億年後の銀河でなされ、そのバンプのピークは約2,263 Åで、天の川銀河より赤い側にあった。赤方偏移7.11の別の銀河では、ピークは2,257 Åにある。平均すると、バンプは時代をさかのぼるほど弱くなるように見える。

赤方偏移9.33の銀河

パドヴァ大学とINAFのジュリア・ロディギエロ（Giulia Rodighiero）と、ヨーロッパ、南北アメリカ、アジアの約50人の共著者は、連携した2つの観測計画ZENITHとEMBERで得られたウェッブのNIRSpecのスペクトルを調べた。2,175 Åの領域が観測範囲に入る赤方偏移8より遠い天体を、すでにバンプを示しているものを選ぶことなく調べたのだ。そのうちひとつが際立っていた。彼らはそれをブラックパールと呼ぶ。論文には、その名前の理由は書かれていない。

水素と酸素の輝線から、この銀河は赤方偏移9.3335、つまりビッグバンから約5億年後の姿で見えていることがわかる。比較的小さな銀河で、星の質量は太陽の約10^8.35倍、1年に太陽およそ2.4個分の星をつくっており、赤方偏移9より遠くで分光的に確認された銀河のなかでも、紫外線で最も明るい銀河のひとつだ。

同じくぼみを見る2つの方法

このスペクトルには、塵のバンプがあるはずのまさにその場所に、幅の広いくぼみが見える。チームはこれを独立した2つの方法で測定した。

1つめは直接的な方法だ。紫外線の連続光をなめらかな曲線で当てはめ、余分な減光を測る。くぼみは17.6シグマで検出され、バンプの形をしたプロファイルを加えると当てはまりが格段によくなる（χ²が474から8.2に下がる）。プロファイルのピークは2,132 ± 17 Å、幅は413 ± 54 Å、ピークでの減光は0.21等級だ。確認作業により、近くにある炭素の輝線や、分解されていない複数の線の重なりが原因である可能性は否定された。

2つめは、星、ガス、塵、測光をすべて含む銀河の完全なモデルを使い、バンプの位置と幅を自由にした柔軟な塵の法則で当てはめる方法だ。試した2つの星形成史のどちらでもバンプが再現され、その位置は約2,147 Åと2,168 Åで、精度は劣るものの直接の測定と矛盾しない。

ブラックホールがこれを偽装している可能性はあるだろうか。活動銀河核は、くぼみに見える鉄の輝線の森をつくりだすことがある。輝線は硬い放射場を示しており、銀河核がいくらか寄与している余地は残すが、紫外線を支配するほど強い寄与の余地はない。著者らは塵の説を支持しつつも、「かなり大きいものでさえありうる」銀河核の寄与を確実には否定できないと述べている。

逆向きのずれ

幅は天の川銀河のものと一致する。だが位置は一致しない。私たちの銀河の平均より43 Å青い側にあり（約2.5シグマ）、赤方偏移7付近で知られている2つのバンプ（赤い側にずれている）と比べると約127 Å青い。著者らにとって、この多様性は、初期宇宙にただひとつの普遍的なバンプがあるという考えに反するものだ。バンプの原因となった塵の粒子は、おそらく銀河ごとに違っていた。

その正体は何か。最も小さなグラファイト粒子についての計算は、以前の赤方偏移6.71の例とは違い、ブラックパールのプロファイルに近い。個々のPAH分子のなかにも、これを再現できるものがある。しかしPAHは、より低い赤方偏移にある金属の乏しい銀河では少なく、ここで推定された強い放射は、最も小さなPAHを壊してしまうかもしれない。どちらの可能性も残っている。

2億年でできた塵

意味のある時計は、ビッグバンからの5億年ではなく、銀河が星をつくり始めてからの時間だ。それが赤方偏移14ごろに始まったとすれば、使えた時間は約2億年である。超新星、星と星のあいだでの粒子の成長、そしておそらく最も速く進化するAGB星が寄与しうる。それぞれがどれだけ寄与したのかは、まだわかっていない。

これは銀河ひとつの結果であり、バンプのずれの有意性は約2.5シグマにすぎず、減光曲線から粒子の種類が一意に決まるわけでもない。論文は学術誌ApJに投稿されている。そのメッセージは、バンプがあるかどうかだけでなく、その形からも、最初の塵がどのようにつくられたのかをたどれるようになった、ということだ。