いいえ、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は宇宙論を破壊していません

宇宙論の亀裂が現れるまでにはしばらく時間がかかるはずだった。しかし、昨春、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）がレンズを開けると、極めて遠くにありながらも非常に明るい銀河が、たちまち望遠鏡の視野に輝いた。「それらは途方もなく明るく、ひときわ目立っていたのです」と、マサチューセッツ工科大学の天文学者、ローハン・ナイドゥ氏は語った。

地球から銀河の見かけ上の距離は、それらが宇宙の歴史において誰もが予想していたよりもはるかに古い時代に形成されたことを示唆していた。（遠いほど、その光が発せられたのは遠い昔のことである。）疑念が渦巻いたが、12月に天文学者たちは、いくつかの銀河が見た目通り遠く、したがって原始的であることを確認した。確認された銀河の中で最も古いものは、ビッグバンから3億3000万年後に光を放ち、宇宙で最も古い構造物として新たな記録保持者となった。その銀河はかなり暗かったが、同時期に形成されたと大まかに推定される他の候補銀河は既に明るく輝いており、それらは巨大である可能性を示唆していた。

ビッグバン直後に、超高温のガス雲の中で星がどのようにして点火できたのだろうか？ どのようにして、これほど巨大な重力で束縛された構造へと急速に進化できたのだろうか？ これほど大きく明るい初期の銀河を発見することは、先カンブリア時代の地層でウサギの化石を発見することに似ているようだ。「初期には大きなものは存在しない。大きなものに到達するにはしばらく時間がかかるのだ」と、テキサス大学オースティン校の理論物理学者マイク・ボイラン＝コルチン氏は述べた。

天文学者たちは、初期の巨大天体の多さが、現在の宇宙の理解に反するのではないかと疑問を抱き始めた。一部の研究者やメディアは、この望遠鏡の観測が標準的な宇宙論モデル（ラムダ冷暗黒物質モデル、ΛCDMモデルと呼ばれる、十分に検証された方程式群）を覆し、宇宙の新たな構成要素や支配法則を示唆していると主張した。しかし、その後、ΛCDMモデルは揺るぎないものであることが明らかになった。JWSTの発見は、研究者たちに宇宙論のルールを書き換えさせるのではなく、天文学者たちに銀河の形成過程、特に宇宙の始まりについて考え直すきっかけを与えている。この望遠鏡はまだ宇宙論を覆したわけではないが、だからといって、初期銀河の事例が画期的なものになるわけではない。

よりシンプルな時代

非常に初期の明るい銀河の検出がなぜ驚くべきことなのかを知るには、宇宙学者が宇宙について何を知っているか、あるいは知っていると考えているかを理解することが必要だ。

ビッグバンの後、生まれたばかりの宇宙は冷え始めました。数百万年の間に、宇宙を満たしていた渦巻くプラズマは静まり、電子、陽子、中性子が結合して原子（主に中性水素）が生まれました。宇宙の暗黒時代として知られる、長さは不明ですが、静寂と暗闇に包まれた時代が続きました。そして、何かが起こりました。

ビッグバン後に飛び散った物質の大部分は、暗黒物質と呼ばれる目に見えないものでできています。暗黒物質は宇宙、特に初期の宇宙に強力な影響を及ぼしてきました。標準的な見方では、冷たい暗黒物質（目に見えず、動きの遅い粒子）が宇宙に無差別に撒き散らされていました。一部の領域では暗黒物質の分布が濃く、そのような領域では塊へと崩壊し始めました。目に見える物質、つまり原子は、暗黒物質の塊の周りに集まりました。原子も冷えるにつれて、やがて凝縮し、最初の星が誕生しました。これらの新たな放射線源は、いわゆる再電離期に宇宙を満たしていた中性水素を再充電しました。重力によって、より大きく複雑な構造が成長し、広大な銀河の宇宙網が構築されました。

その間、あらゆるものはどんどん離れていく一方だった。天文学者エドウィン・ハッブルは1920年代に宇宙が膨張していることを解明し、1990年代後半には、彼の名を冠したハッブル宇宙望遠鏡が、膨張が加速している証拠を発見した。宇宙をレーズンパンに例えてみよう。小麦粉、水、イースト、レーズンを混ぜ合わせたものから宇宙は生まれる。これらの材料を混ぜ合わせると、イーストが呼吸を始め、パンは膨らみ始める。パンの中のレーズン（銀河の代わり）は、パンが膨張するにつれて互いに離れていく。

ハッブル宇宙望遠鏡は、パンがますます速く上昇している様子を捉えました。レーズンは重力に逆らう速度でバラバラに飛んでいます。この加速は、宇宙そのものの斥力エネルギー、いわゆるダークエネルギーによって引き起こされているようです。ダークエネルギーはギリシャ文字のΛ（「ラムダ」と発音）で表されます。アルバート・アインシュタインの一般相対性理論の方程式に、Λ、冷たい暗黒物質、通常の物質、そして放射線の値を代入すると、宇宙の進化モデルが得られます。この「ラムダ冷たい暗黒物質」（ΛCDM）モデルは、宇宙のほぼすべての観測結果と一致しています。

この図を検証する方法の一つは、非常に遠くの銀河を観察することです。これは、すべての始まりとなった巨大な衝撃から数億年後まで遡るのと同じです。当時の宇宙はより単純で、その進化を予測と比較するのは容易でした。

天文学者たちは1995年、ハッブル望遠鏡を用いて宇宙の最も初期の構造を初めて観測しようと試みました。ハッブル望遠鏡は10日間かけて、北斗七星の何もないように見える空間を342枚の画像で撮影しました。天文学者たちは、漆黒の闇に隠された膨大な量の銀河に驚嘆しました。ハッブル望遠鏡は、誰もが予想していたよりもはるかに古い時代まで遡り、距離も発達段階も異なる数千もの銀河を観測することができました。ハッブル望遠鏡はさらに、極めて遠方の銀河も発見しました。2016年には、天文学者たちは最も遠方の銀河であるGN-z11を発見しました。これは、ビッグバンから4億年後のものと推定されるかすかな雲です。

これは銀河としては驚くほど初期の出来事でしたが、ΛCDMモデルに疑問を投げかけるものではありませんでした。その理由の一つは、GN-z11の質量が天の川銀河のわずか1%と​​非常に小さいこと、そして孤立していたことです。天文学者たちは、GN-z11が特異な存在なのか、それとも謎に満ちた初期の銀河群の一部なのかを解明するために、より強力な望遠鏡を必要としていました。この発見は、ΛCDMの起源を解明する上で重要な手がかりとなるかもしれません。

説明できないほど遠い

NASA元長官ジェームズ・ウェッブにちなんで名付けられたこの次世代宇宙望遠鏡は、2021年のクリスマスに打ち上げられました。JWSTの調整が完了するとすぐに、初期の銀河からの光がその高感度電子機器に取り込まれました。天文学者たちは、観測結果を記した論文を次々と発表しました。

研究者たちはドップラー効果の一種を利用して物体の距離を測定します。これは、救急車のサイレンの音で位置を特定するのと似ています。サイレンは、近づいてくると音が高くなり、遠ざかるにつれて音が低くなります。銀河は遠くにあるほど、私たちからより速く遠ざかるため、その光はより長い波長に伸び、より赤く見えます。この「赤方偏移」の大きさはzで表され、zの値は物体からの光が私たちに到達するまでにどれだけの距離を移動したかを示します。

JWSTデータに関する初期の論文の一つは、MITの天文学者ナイドゥ氏とその同僚によるもので、彼らの探索アルゴリズムは、説明のつかないほど明るく、説明のつかないほど遠い銀河を発見した。ナイドゥ氏はこの銀河をGLASS-z13と名付け、その見かけの距離が赤方偏移13であることを示した。これは、これまで観測されたどの銀河よりも遠い距離である（この銀河の赤方偏移は後に12.4に修正され、GLASS-z12と改名された）。JWSTの様々な観測データに取り組んでいた他の天文学者たちも、赤方偏移11～20の値を報告していた。その中には、CEERS-1749（CR2-z17-1）と呼ばれる銀河も含まれている。この銀河の光は、ビッグバンからわずか2億2000万年後の137億年前に放出されたとみられる。これは、宇宙の時間が始まってからほんの一瞬しか経っていないことを意味する。

これらの推定上の検出は、ΛCDMとして知られる見事な物語が不完全である可能性を示唆している。どういうわけか、銀河はすぐに巨大化した。「初期宇宙では、大質量銀河は見られないはずです。それほど多くの星を形成する時間がなく、銀河同士が合体することもなかったからです」と、英国ポーツマス大学の天体物理学者クリス・ラベル氏は述べている。実際、11月に発表された研究で、研究者たちはΛCDMモデルに支配された宇宙のコンピューターシミュレーションを分析し、JWSTの初期の明るい銀河は、シミュレーションで同時に形成された銀河よりも1桁も重いことを発見した。

一部の天文学者やメディアは、JWSTが宇宙論の常識を覆すと主張しましたが、誰もが納得したわけではありませんでした。問題の一つは、ΛCDMの予測が必ずしも明確ではないことです。暗黒物質と暗黒エネルギーは単純ですが、可視物質は複雑な相互作用と挙動を示し、ビッグバン後の最初の数年間に何が起こったのかを正確に知る人はいません。その激動の初期段階は、コンピューターシミュレーションで近似する必要があります。もう一つの問題は、銀河がどれだけ遠くにあるかを正確に知るのが難しいことです。

最初の論文発表から数ヶ月が経ち、高赤方偏移とされる銀河の一部の年齢が再考されてきました。望遠鏡の較正結果が最新のものになったため、宇宙進化の後期に格下げされたものもあります。CEERS-1749は、124億年前に光を発した銀河団を含む空域で発見されており、ナイドゥ氏によると、この銀河は実際にはこの銀河団の一部である可能性があるとのことです。つまり、より近いところに潜む侵入者で、塵に満たされているために実際よりも赤方偏移が大きく見える可能性があるということです。ナイドゥ氏によると、CEERS-1749はどれほど遠く離れていても奇妙な存在です。「これは私たちが知らなかった新しいタイプの銀河でしょう。非常に低質量で小さな銀河が何らかの理由で大量の塵を蓄積したのです。これは従来私たちが予想していなかったことです」と彼は言います。「これらの新しいタイプの天体が、私たちの超遠方銀河の探索を困難にしているのかもしれません。」

ライマンブレイク

最も正確な距離の推定には、JWST の最も強力な機能が必要であることは誰もが知っていました。

JWSTは、測光（明るさの測定）だけでなく、分光（光の波長の測定）によっても星の光を観測します。測光観測が群衆の中の顔写真だとすれば、分光観測は個人の家系図を解明できるDNA検査のようなものです。ナイドゥ氏をはじめとする初期の巨大銀河を発見した研究者たちは、明るさから得られる測定値を用いて赤方偏移を測定しました。これは、高性能カメラを使って群衆の中の顔を観測したようなものです。この方法は、決して完璧とは言えません。（1月のアメリカ天文学会の会合で、天文学者たちは、測光だけで観測された初期の銀河の半分は正確に測定されるかもしれないと冗談を飛ばしました。）

しかし12月初旬、宇宙論研究者たちは4つの銀河について両方の手法を組み合わせた結果を発表しました。JWST先進深部銀河系探査（JADES）チームは、ライマンブレークと呼ばれる臨界波長で赤外線スペクトルが急激に途切れる銀河を探しました。このブレークは、銀河間の空間を漂う水素が光を吸収することによって発生します。宇宙は常に膨張し続けているため（まるでレーズンパンのように）、遠方の銀河の光はシフトし、急激なブレークの波長もシフトします。銀河の光が長波長で減衰しているように見える場合、その銀河はより遠くにあります。JADESは最大13.2の赤方偏移を持つスペクトルを特定しました。これは、銀河の光が134億年前に放射されたことを意味します。

アリゾナ大学の天文学者ケビン・ヘインライン氏によると、データがダウンリンクされるとすぐに、JADESの研究者たちは共有Slackグループで「大騒ぎ」し始めたという。「『オーマイゴッド、オーマイゴッド、やった！やった！やった！やった！やった！やった！』という感じでした」と彼は語った。「これらのスペクトルは、天文学を変える科学の始まりに過ぎません」

カリフォルニア大学サンタクルーズ校のJADES天文学者ブラント・ロバートソン氏は、今回の発見は初期宇宙が誕生から10億年の間に急速に変化し、銀河の進化が現在の10倍の速さで進んだことを示していると述べています。「ハチドリは小さな生き物ですが、心臓の鼓動が非常に速いため、他の生き物とは一線を画す生命を育んでいるようなものです。これらの銀河の鼓動は、天の川銀河ほどの大きさのものよりもはるかに速いタイムスケールで起こっているのです」とロバートソン氏は言います。

しかし、彼らの心臓の鼓動はΛCDM では説明できないほど速かったのでしょうか?

理論的な可能性

天文学者や一般の人々が JWST の画像に驚嘆する中、研究者たちは舞台裏で作業を開始し、私たちの視界に現れた銀河が本当に ΛCDM を覆すものなのか、それとも方程式に代入すべき数値を確定させるのに役立つだけなのかを突き止めようとしていた。

重要でありながらあまり理解されていない数値の一つは、最初期の銀河の質量に関するものです。宇宙論者たちは、それらの質量がΛCDMが予測する銀河成長のタイムラインと一致するかどうかを判断するために、その質量を決定しようと試みています。

銀河の質量は明るさから算出されます。しかし、ミシガン州立大学の天体物理学者ミーガン・ドナヒュー氏は、質量と明るさの関係は、既知の恒星やよく研究された銀河から得られた仮定に基づいた、せいぜい推測に過ぎないと述べています。

重要な仮定の一つは、星は常に初期質量関数（IMF）と呼ばれる特定の統計的質量範囲内で形成されるというものです。このIMFパラメータは、銀河の明るさの測定値からその質量を推定する上で非常に重要です。高温で青く重い星はより多くの光を発する一方で、銀河の質量の大部分は通常、低温で赤く小さな星に閉じ込められているからです。

しかし、初期宇宙ではIMFが異なっていた可能性もある。もしそうだとすれば、JWSTが観測した初期の銀河は、その明るさから推測されるほど重くなく、明るいが軽い可能性もある。この可能性は頭を悩ませる。なぜなら、この基本的な入力をΛCDMモデルに入力するだけで、ほぼどんな答えでも得られる可能性があるからだ。ラヴェル氏によると、一部の天文学者はIMFをいじることを「悪人の領域」と考えているという。

「初期の質量関数を理解しなければ、高赤方偏移の銀河を理解するのは本当に困難です」と、シカゴ大学の天体物理学者ウェンディ・フリードマン氏は述べた。彼女のチームは、様々な環境におけるIMFの解明に役立つ観測とコンピューターシミュレーションに取り組んでいる。

秋の間に、多くの専門家は、IMFやその他の要素を微調整するだけで、JWSTの機器に映る非常に古い銀河をΛCDMと一致させることができるのではないかと考えるようになった。「これらの観測を標準的なパラダイムに組み込める可能性が高いと思います」と、フラットアイアン研究所（Quanta Magazineと同様に、シモンズ財団の資金提供を受けている）の天体物理学者レイチェル・サマービル氏は述べた。その場合、「私たちが学べることは、［暗黒物質］ハローがどれだけ速くガスを集められるか？ どれだけ速くガスを冷やして密度を高め、星を生成できるか？ 初期宇宙ではそれがより速く起こるのかもしれません。ガスの密度が高いのかもしれません。あるいは、何らかの理由で流れ込みが速くなっているのかもしれません。私たちはまだこれらのプロセスについて学んでいる段階だと思います」と彼女は述べた。

サマービル氏は、ブラックホールが誕生初期の宇宙に干渉した可能性についても研究しています。天文学者たちは、ビッグバンから約10億年後、赤方偏移6～7の位置に、輝く超大質量ブラックホールをいくつか観測しています。その頃までに、星々がどのようにして形成され、死に、そして崩壊してブラックホールとなり、周囲のすべてを飲み込み、放射線を噴き出し始めたのか、想像するのは困難です。

しかし、推定上の初期銀河の中にブラックホールが存在するとすれば、銀河が実際にはそれほど巨大ではないにもかかわらず、非常に明るく見える理由を説明できるかもしれない、とサマービル氏は述べた。

ΛCDMがJWSTの初期銀河の少なくとも一部を収容できることが、クリスマス前日に確認された。メンフィス大学のベンジャミン・ケラー率いる天文学者たちは、ΛCDM宇宙の主要なスーパーコンピューターシミュレーションをいくつか検証し、JADESチームが分光学的に研究した4つの銀河と同じくらい重い銀河が生成される可能性があることを発見した。（これらの4つの銀河は、GLASS-z12など、他の初期銀河とされるものよりも小さく、暗い。）チームの分析では、すべてのシミュレーションで、赤方偏移10においてJADESの観測結果と同程度のサイズの銀河が生成された。1つのシミュレーションでは、JADESが観測したのと同じ赤方偏移13でそのような銀河を生成でき、他の2つのシミュレーションでは、さらに高い赤方偏移で銀河を生成できた。 JADES 銀河のいずれも現在の ΛCDM パラダイムと矛盾していないと、ケラー氏とその同僚は 12 月 24 日にプレプリント サーバー arxiv.org で報告した。

JADES銀河は、既存の宇宙論モデルを覆すほどの力強さはないものの、他の特別な特徴も備えている。ヘインライン氏によると、これらの銀河の恒星は、以前に爆発した恒星からの金属による汚染を受けていないようだ。これは、これらの銀河が種族IIIの恒星、つまりこれまで熱心に探究されてきた最初の世代の恒星であり、宇宙の再電離に寄与している可能性があることを意味している。もしこれが真実なら、JWSTは既に、宇宙が現在の軌道に設定された謎の時代を垣間見ていることになる。

驚くべき証拠

JWSTの時間配分委員会の配分次第では、今春にも新たな初期銀河の分光学的確認が得られる可能性がある。WDEEPと呼ばれる観測キャンペーンは、ビッグバンから3億年未満の銀河を特に探査する。研究者がより多くの銀河の距離を確認し、質量の推定精度を向上させることで、ΛCDMの運命は決まるだろう。

ΛCDMの全体像を変える可能性のある他の多くの観測がすでに進行中である。初期質量関数を研究しているフリードマン氏は、ある夜午前1時に起きて、距離と年齢を測定するための「標準光源」として使用している変光星に関するJWSTデータをダウンロードしていた。これらの測定は、ハッブル・テンションとして知られるΛCDMの別の潜在的な問題を解明するのに役立つ可能性がある。問題は、現在の宇宙が、ΛCDMが予測する138億歳の宇宙よりも速く膨張しているように見えることだ。宇宙論者は多くの可能性のある説明を持っている。おそらく、一部の宇宙論者は、宇宙の膨張を加速しているダークエネルギーの密度は、ΛCDMのように一定ではなく、時間とともに変化していると推測している。宇宙の膨張の歴史を変えることは、ハッブル・テンションを解決するだけでなく、特定の赤方偏移における宇宙の年齢の計算を修正するかもしれない。 JWSTは、ビッグバンから3億年後ではなく、例えば5億年後の初期銀河を観測している可能性がある。そうであれば、JWSTの鏡に映る最も重い初期銀河でさえ、合体するのに十分な時間があったはずだとサマービル氏は言う。

天文学者たちは、JWSTの初期銀河観測結果について語る時、最高の表現を使い果たしてしまう。彼らは会話に笑い、罵詈雑言、そして感嘆を交えながら、カール・セーガンの格言――いかに使い古された言葉であろうとも――「並外れた主張には並外れた証拠が必要だ」を自らに言い聞かせている。彼らは、モデルを洗練させたり微調整したりするのに役立つであろう、より多くの画像やスペクトルを手に入れるのを待ちきれない。「それらは最高の問題です」とボイラン＝コルチンは言った。「どんな結果が得られても、答えは興味深いものになるからです」

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。