宇宙最初の星はどこまで巨大になれるのか ―ジェイムズ・ウェッブが探る初期宇宙の謎
テキサス大学オースティン校のコズミック・フロンティア・センターに所属するタエ・ボン・ジョンが、宇宙最初期の星がどの程度の大きさに達し得るか、そしてジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）がそれを検出できるかについて検討した論文を、プレプリント版としてarXivで公開した。この研究が注目を集める背景には、JWSTが想定外の場所で初期宇宙の痕跡を発見し始めたことがある。
想定より遅れて現れた初期の星
Population III（第III世代星、Pop III）は、水素とヘリウムのみで構成され、より重い元素（天文学では「金属」と呼ばれる）の混入がない、宇宙最初期の星である。理論上、これらの星は極めて巨大であると予想されている。ところがJWSTの観測により、こうした初始星の痕跡がこれまでの予測よりも数億年遅れた時期、つまり再電離期の終盤付近の銀河に見出され始めた。
この矛盾を説明する鍵となるのが、ガス雲が早期に崩壊することを防ぐ必要があるという点だ。さらに、近傍の超新星から放出される金属による汚染も避ねばならない。初期宇宙の原始ガス雲は、冷却することでしか重力崩壊を起こせなかった。密度が上がりすぎると加熱され、膨張に転じてしまう。唯一の冷却剤は分子水素（H2）であり、この分子が暗黒物質を十分に集中させて核融合を引き起こしていたと考えられている。
しかし宇宙が進化するにつれて分子水素の量が増えたため、Pop III星はより容易に形成され、その短い寿命を考えると、JWSTが観測している時代より前に燃え尽きてしまうはずだ。
Lyman-Werner放射が遅延のカギ
この謎を解く一つの手段として、ジョン率いる研究チームが検討したのがLyman-Werner（LW）放射の役割である。LW放射は軟紫外光の一種であり、分子水素に接触すると解離させて原子水素を生成する。原子水素は冷却効率がはるかに低いため、LW放射に晒されたガス雲は星形成が遅延する。やがて物質量が極めて巨大に達する「原子冷却」段階に至ると、生成された原子水素が最終的に劇的な崩壊を引き起こし、星が誕生する仕組みだ。
研究チームは冷却過程にある暗黒物質ハローをモデル化し、異なるレベルのLW放射に晒した。その結果、ハローの外層は紫外放射による長期間の加熱で極めて高温に保たれる一方、内部はより密度が高くなり、盾のような構造を形成することが判明した。外層が熱の大部分を受け止め、内部が冷却されて最終的に星となるメカニズムだ。
LW放射は超新星から放出される金属よりも遥かに高速に当該のガスに到達する。研究チームの計算では、LW放射は金属粒子よりも数億年早くこれらの清浄なガス雲に到達し、ガスが第II世代星（Pop II）への汚染を免れる時間を稼いでいるとみられる。
検出の課題と可能性
Pop III星バースト現象とより平凡なPop II星の区別は、依然として技術的な課題が残る。ただしジョン率いる研究チームは、重力レンズの補助を受ければ、現在の観測機器でこれらのバースト現象を検出できると計算している。ただし重力レンズの利用には相当の運が必要だ。観察対象がレンズとなる銀河と完全に一直線上に並ぶ必要があるためだ。
加えて、高強度の紫外線風呂と清浄な汚染されていないガス塊という形成条件の稀少性が検出確率をさらに低下させる。それでもGLIMPSEのような重力レンズの利用を想定した調査では、最大で9個のこのような後発のPop III星バースト現象を発見できる可能性があると研究チームは示唆している。
出典: Universe Today
