地球から128億8,000万光年離れた銀河で水の痕跡を発見

地球から128億8,000万光年離れた銀河で水の痕跡を発見 天文・宇宙
SPT0311-58と呼ばれる2つの銀河に見られるダスト連続波と一酸化炭素や水の分子線を描いた想像図。©ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/S. Dagnello (NRAO)

アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計(ALMA)の新しい観測結果によると、宇宙初期の最も巨大な銀河で水が検出されました。

今回の研究では、生命に必要な元素が、通常の星形成銀河の中で最も遠くから検出されたことになります。

SPT0311-58を研究している科学者たちは、地球から約128億8千万光年の距離にあるこの銀河で、水と一酸化炭素の分子を発見しました。

この2つの分子が豊富に検出されたことは、初期の星で元素が合成された直後に、分子宇宙が強くなったことを示唆しています。

本研究成果は、The Astrophysical Journalに掲載されました。

SPT0311-58は、実際には2つの銀河で構成されており、2017年ににALMAの科学者によって最初に発見され、「宇宙の再電離の時代1宇宙の再電離が正確にいつから始まりどのように行われたかは、宇宙の初代天体の形成時期とその周囲の銀河間物質の物理状態に依存しており完全な理解には至っていないが、赤方偏移20-10(宇宙年齢2-5億年)の間頃に始まり、赤方偏移6頃(宇宙年齢9億年頃)までには完了したと考えられている。天文学辞典」のものとされています。

この時代は、宇宙の年齢が7億8千万年で、現在の年齢の約5%に相当し、最初の星や銀河が誕生していた時期です。

科学者たちは、この2つの銀河が合体している可能性があると考えており、急速な星形成によってガス(星形成のための燃料)が使い果たされているだけでなく、最終的には局所宇宙に見られるような大規模な楕円銀河に進化している可能性があると考えています。

「SPT0311-58と総称される2つの銀河の分子ガスをアルマ望遠鏡で高解像度で観測した結果、大きい方の銀河に水と一酸化炭素の分子が検出されました。酸素と炭素は第一世代の元素であり、一酸化炭素と水の分子形態は、私たちが知っているような生命にとって不可欠なものです。」とイリノイ大学の天文学者で、今回の研究の責任者であるSreevani Jarugula氏は述べています。


動画:まず、ダスト連続波とH20とCOの分子線を合成したものから始まります。続いて、ダスト連続波が赤、H20の分子線が青、一酸化炭素の分子線であるCO(10-9)がピンクと濃い青、CO(7-6)がマゼンタ、CO(6-5)が紫で表示されています。

「この銀河は、高赤方偏移(宇宙がまだ非常に若かった時代)において、現在知られている中で最も質量の大きい銀河です。この銀河は、宇宙初期の他の銀河に比べてガスやダストが多く、豊富な分子を観測できる可能性があり、これらの生命を生み出す元素が初期宇宙の発展にどのような影響を与えたのかをより深く理解することができます。特に水は、水素分子と一酸化炭素に次いで、宇宙で3番目に多い分子です。」

これまでの局所宇宙や初期宇宙の銀河の研究では、水の発光とダストからの遠赤外線の発光に相関があることがわかっています。

Jarugula教授は、「ダストは、銀河内の星からの紫外線を吸収し、遠赤外線として再放出します。これがさらに水分子を励起し、科学者が観測できる水の発光を生み出しているのです。今回は、この大規模銀河での水の放出を検出することができました。この相関関係を利用して、水を星形成のトレーサーとして開発し、それを宇宙規模の銀河に応用することができます。宇宙で最初に形成された銀河を研究することは、科学者が宇宙や、太陽系や地球を含むすべてのものの誕生、成長、進化をよりよく理解するのに役立ちます。初期の銀河は、天の川銀河の何千倍もの速度で星を形成しています。初期銀河のガスやダストの含有量を調べることで、どのくらいの数の星が形成されているのか、ガスが星に変わる速度はどのくらいなのか、銀河同士や星間物質との相互作用はどうなっているのかなど、銀河の特性を知ることができます。」

Jarugula氏によると、SPT0311-58や初期宇宙の銀河については、まだ多くのことが解明されていないといいます。

「この研究は、宇宙のどこに、どのくらい遠くに水が存在するのかという答えを提供するだけでなく、『宇宙の初期に、これほど多くのガスやダストがどのようにして集まり、星や銀河を形成したのか』という大きな疑問を生み出しました。その答えを得るためには、これらの星形成銀河や類似の星形成銀河をさらに研究して、初期宇宙の構造形成と進化についての理解を深める必要があります。」

全米科学財団の宇宙物理学者でALMAプログラム・ディレクターのJoe Pesce氏は、「ALMAの能力を示すこのエキサイティングな結果は、宇宙初期の観測データのコレクションを増やすことになります。地球上の生命にとって重要なこれらの分子は、できる限り早く形成されており、その観測は、現在とは全く異なる宇宙の基本的なプロセスについての洞察を与えてくれます。」と述べています。

Published by National Radio Astronomy Observatory. “Molecular Line Observations in Two Dusty Star-Forming Galaxies at z = 6.9,” S. Jarugula et al. 2021. The Astrophysical Journal, pre-print: arXiv:2108.11319v1 [astro-ph.GA], arxiv.org/abs/2108.11319