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これまでで最も遠い、133億光年離れた星団を捉える–「重力レンズ効果」で発見

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　ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（James Webb Space Telescope：JWST）が、133億光年離れた銀河の中に、これまでで最遠方の「星団」を発見したことが明かされた。英科学誌「Nature」に6月24日に掲載された。

　早稲田大学や千葉大学、名古屋大学、筑波大学などの天文学者の国際チームはJWSTで宇宙年齢4億6000万年の星団を発見した。これまでで最も遠い星団を発見したことになる（星団とは恒星の集まり。恒星同士の重力で集団を保つ星団は「自己重力星団」。今回見つかった5つの星団は自己重力星団）。

　地球が存在する天の川銀河には「球状星団」と呼ばれる、自らの重力で集団を形作りながら生き延びている星団がある。球状星団は、宇宙初期に生まれた化石のような天体だと考えられているが、いつどこで形成されたのかはよく分かっていない。

　天文学者の国際チームはJWSTで宇宙年齢4億6000万年の時代の銀河である「SPT0615-JD1」、別名「Cosmic Gems arc」（宇宙宝石の円弧）の中に、5つの極めてコンパクトな星団を発見。それらが球状星団の祖先である可能性を突き止めた。

　論文の筆頭筆者であるAngela Adamo氏（スウェーデン大学）は「Cosmic Gems arcの中にあるコンパクトな星団は、球状星団の祖先であると考えられる。なにより特別な点は、重力レンズ効果のおかげで、この銀河を数光年のスケールで解像できたことだ」と説明する。

　今回、観測対象となった銀河は、その前にある（つまり、われわれにより近い位置にある）「SPT-CL J0615-5746」と名付けられた銀河団による重力レンズ効果で長辺がおよそ100倍に拡大されて観測された。

　「今回のJWSTの画像を初めて見たときは驚いた。小さな輝点の連鎖が、鏡に映したように対称に並んでいたからだ。これらの小さな輝点は星団だった。JWSTがなければ、このような若い銀河の星団を見つけることはできなかっただろう」（Adamo氏）

　今回の観測プログラムの代表者である、米宇宙望遠鏡科学研究所（Space Telescope Science Institute：STScI）のLarry Bradley氏は「JWSTの驚異的な感度と解像度が、巨大な前景銀河団による重力レンズ効果と相まって、今回の発見が可能になった」と説明している。

　Cosmic Gems arcの中にあるコンパクトな星団は、天の川銀河の球状星団より質量が大きく、恒星の数密度が非常に高いという。今回の発見は、初期宇宙の若い銀河で球状星団がどのように誕生したのかを解明する大きな一歩になると期待できるとしている。

　「球状星団の形成過程や初期の性質を解き明かす重要な手掛かりになる成果だ。例えば、Cosmic Gems arcの星団を構成する星々は非常に高い密度で密集している。これは、星団の内部で起こっている何らかの物理過程を示唆するものであり、銀河の進化にとって重要な大質量星やブラックホールの種の形成について新たな視点を与えるだろう」（Adamo氏）

　つまり、初期宇宙に存在する超大質量ブラックホールの起源などを説明するために、高密度な星団中でブラックホールの合体頻度が高まることで、より大質量なブラックホールが誕生する仮説、恒星同士の合体が暴走的に起こることで超大質量な恒星が誕生する仮説などが理論的に提案されてきたが、今回発見された高密度な星団は、まさに、その舞台となる可能性を秘めていると考えることができる。

　研究チームの一員である早稲田大学の教授である井上昭雄氏は「今回の成果は、球状星団の起源に迫ることに加えて、“宇宙の夜明け”とも称される“宇宙再電離”の解明についても大きなヒントを与えるという、重要な意義がある」とコメントしている。

　重力レンズ効果は、重力場の作用で光の進路が曲げられる現象。一般相対性理論で説明されている。銀河の集団である銀河団の巨大な重力から、その後ろにある遠方の銀河からの光線が曲げられることで、本来は地球の方向に進んでいなかった光も地球に向かうようになり、銀河が拡大されて見えたり、複数の像に分裂して見えたりする。

　ビッグバン直後の宇宙では、高温のためガスは電離状態だったが、宇宙が膨張するとともに温度が下がり、いったんは中性化した。引き続いて初代天体や銀河が形成されることで、強烈な紫外線が放射され、宇宙年齢10億年頃までにガスは再び電離した。これが宇宙最電離。今回発見された星団は、宇宙再電離を引き起こした紫外線源である可能性もあるとみられている。

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早稲田大学プレスリリース
Nature