New Light on Universe’s Last Major Phase Transition

ミシガン大学のメンバーを含む国際研究チームは、宇宙初期の重要な遷移についての私たちの理解を書き換える可能性のある驚くべき結果を明らかにした。

ビッグバンの最初の 10 億年以内に、宇宙は紫外線を通さない中性水素の霧で満たされました。しかし今日では、再電離として知られる約130億年前に始まった時代のおかげで、その霧は晴れました。

再電離中に、初期宇宙の銀河からの高エネルギー放射線が霧を構成する中性水素と衝突し、霧を荷電または電離した陽子と電子に分解しました。

「最終的に、銀河間空間を満たす水素の大部分がイオン化したとき、それが再電離の終わりであり、今日私たちは宇宙を見ることができます」と、天文学部の博士研究員コディ・カー氏は語った。 「私たちは再電離を宇宙の最後の大きな相転移と呼んでいます。」

しかし、この電離放射線の発生源を特定し、それがどのように初期銀河から逃れたかを理解することは、天文学における中心的な課題です。

「どのような物体が再電離を引き起こしたのか、またそれがどのように進化したのかは正確にはわかっていない」と、UMに入社する前は中国の浙江大学で博士研究員として研究を主導し、実施したカー氏は述べた。 「私たちはそれが起こったことを知っていますが、それらの質問に対する完全な答えは持っていません。」

再電離を可能にした有力な理論は、初期の銀河で超新星、つまり大きな爆発する星によって発生した風が電離放射線の逃げ道を作ったというものだった。しかし今回、チームは、欧州宇宙機関の寄付で打ち上げられたNASAのミッションであるハッブル宇宙望遠鏡を使用して近くの銀河を観察し、これらの風が実際に銀河からの放射線の放出を妨げていることを示した。ハッブル宇宙望遠鏡も、宇宙望遠鏡科学研究所が管理する助成金を通じてこの研究を支援しました。

「基本的に、これらの銀河がどのようにして電離放射線を漏らしているのかは、私たちが考えていたものではありません」とカー氏は語った。

Nature Astronomy誌に掲載された研究チームの発見は、再電離の背後にある別の理論を強化するものである。この理論は、超新星爆発が銀河の形を変えるのに十分な強力な風を引き起こす前に、若い星からの活動が放射線の放出を助けたという主張を示しています。

「私たちの観察は、これらの光子が銀河風が形成される前に逃げていることを示しています」とカー氏は述べた。

しかし、若い星の近くの小規模な風は重要な役割を果たす可能性がある。カー氏らは、このアイデアをさらに検証するために、ハッブルを使ってより多くの銀河を観測する時間を確保しようと取り組んでいる。そしてそれまでの間、この観測は、天文学者が再電離をより深く理解するのに役立つシミュレーションに情報を提供することができます。

「超新星は、電離放射線が銀河からどのように逃げるかを説明する宇宙論的な流体力学シミュレーションにおいて中心的な役割を果たしています」と、この研究の上級著者であり、浙江大学宇宙論・計算天体物理学センター教授兼所長のレンユエ・セン氏は述べた。 「私たちの発見は、最初の超新星が爆発する前に、若い星からの放射線と風が周囲のガスをどのように形成するかを調べる必要性を浮き彫りにしました。」

研究チームはハッブル宇宙望遠鏡を使って、近くのスターバースト銀河（星が天文学的な速度で形成されている銀河）を観察した。これらの銀河は、初期宇宙の再電離に貢献したと考えられている銀河の一部に似ている。研究者らはこれらの銀河のスペクトルを分析し、銀河から漏れる光の波長を測定し、銀河風の速度を測定した。

これらの風に含まれるガスは特定の波長の光を吸収し、スペクトルにくぼみを残し、その位置と幅によってガスの動きを明らかにします。研究チームは、風が最も速い銀河では電離放射線のごく一部が逃げられることを発見した。

「超新星からのエネルギー入力が周囲をかき混ぜ、電離放射線の放出を抑制する中性ガスや塵の範囲が減少するどころか増加しているようだ」と、新しい研究の上級著者でジョンズ・ホプキンス大学天体物理科学センター所長のステファン・マッカンドリス氏は述べた。

この研究には、世界中の十数の機関から 30 人近くの協力者が参加しました。サリー・オーイ大学天文学教授も貢献者です。このプロジェクトには浙江大学から追加の資金が提供されました。浙江省トップレベルの研究支援プログラム。中国国家自然科学財団。スペイン科学・イノベーション・大学省。欧州地域開発基金。欧州連合の Horizo​​n 2020 研究およびイノベーション プログラム。

この研究は、NASA と米国国立科学財団からの連邦資金の一部によって支援されました。