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このアーティストのイラストには、ガス状のフィラメントでできた宇宙初の巨大な青い星が示されており、その端には宇宙マイクロ波背景がちょうど見えています。クレジット: NRFuller、国立科学財団
ビッグバンの直後、宇宙は暗く、今日の宇宙を定義している星や銀河は存在しませんでした。
その後 1 億年にわたって、重力が初期宇宙の中性水素ガスの密集した領域を引き寄せ、その力が非常に強くなり、これらのガスの球が崩壊して星を形成しました。これらの星がどのように見え、どのように形成されたのかの秘密を解明すれば、宇宙の誕生について前例のない洞察が得られる可能性があり、私たちはまさにその方向に向けて重要な一歩を踏み出したところです。
12年間の研究の結果、ASU地球宇宙探査学校の天文学者ジャド・ボーマン率いる科学者チームは、宇宙誕生からわずか1億8000万年後に形成された宇宙最古の星の「指紋」を検出した。始まった。私たちの宇宙が誕生してから 140 億年に近づいていることを考えると、これはその年齢に比べれば相対的に減少したことになります。
初期の宇宙を覗いてみる
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最初の星がいつ出現したかを示すために更新された宇宙のタイムライン。クレジット: NRFuller、国立科学財団
これらの星の指紋を検出する手がかりは電波天文学にありました。研究チームは、西オーストラリア州にあるオーストラリア国立科学機関 (CSIRO) マーチソン電波天文台 (MRO) の電波分光計を使用して、電波スペクトル全体で波長の小さな変化を探しました。
電波がアンテナに当たると、FM 受信機や TV 受信機が信号を変換するのと同じように、デジタル化されてコンピューター ファイルとして保存される前に、受信機によって増幅されます。
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研究チームは当初、宇宙時間の遅い方（つまり最近）を調べるように機器を調整していましたが、2015年に調査を延長しました。研究著者でマサチューセッツ工科大学ヘイスタック天文台のアラン・ロジャーズ氏は、「システムをより低い範囲に切り替えるとすぐに、本物の兆候である可能性があると思われるものが見え始めた」と述べた。 「この低下は約 78 メガヘルツで最も強く見られ、その周波数はビッグバンから約 1 億 8,000 万年後に相当します。
「水素ガス自体からの信号を直接検出するという点では、これが最も早いものになるはずです。」
特に、この研究で電波分光計によって検出された信号は、初期宇宙のこの時点で豊富に存在し、最初の星の間の隙間を埋めていたであろう、いわゆる原始水素ガスからのものでした。
「ノイズ源は信号よりも千倍も明るい場合があるため、この検出を行うには大きな技術的課題がありました。ハリケーンの真っ只中にいて、ハチドリの羽ばたきを聞こうとしているようなものです」とピーター・クルチンスキー氏は語った。 、この研究を支援した国立科学財団プログラム担当者。 「砂漠に小さな無線アンテナを設置した研究者たちは、最も強力な宇宙望遠鏡よりも遠くまで観察し、初期宇宙に関する新たな窓を開いたのです。」
結果を解読する
この 12 年間にわたる実験の結果は、さまざまな理由から重要です。まず、この信号は初期の星がどのように形成されたのかについての洞察を提供し、これまで証明することが不可能と思われていた理論を解き明かします。第二に、最初の星がどのように形成されるのかについての手がかりを解明することで、天文学者は銀河、ブラックホール、太陽系がどのように進化したのかを解明できるようになります。この研究は、とらえどころのない暗黒物質の秘密を明らかにする可能性さえあります。本当に前例のないことです。
「私たちが生きているうちにスターの歴史をもっと早く見ることができる可能性は低いでしょう」とボウマン氏は言う。 「このプロジェクトは、有望な新しい技術が機能する可能性があることを示しており、数十年にわたる新しい天体物理学の発見への道を切り開いてきました。」
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この結果は、最初の星が形成された時期に関する一般的な理論的予想と、初期の星の最も基本的な性質を裏付けています。
「この時期に何が起こっているのか」と共著者であるMITヘイスタック天文台のロジャーズ氏は述べた、「最初の星からの放射線の一部によって水素が見え始めているということだ。これにより、水素が背景放射線を吸収し始めるため、特定の無線周波数で背景放射線がシルエットとして見え始めます。これは、星が形成され始め、周囲の媒体に影響を与え始めていることを示す最初の本当の信号です。」
この研究では、宇宙のガスが予想よりもはるかに冷たかった可能性が高く、予想され、以前に仮説が立てられていた温度の半分程度であることも明らかになった。
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初期の信号を検出するために使用されるアンテナ
これは、天体物理学者が何か重要なことを見落としていたことを示唆している。あるいは、より刺激的なことに、それが非標準物理学の最初の証拠である可能性があることを示唆している。具体的には、宇宙初期にバリオン（通常物質）が暗黒物質と相互作用し、ゆっくりと暗黒物質にエネルギーを失った可能性があるということである。 、テルアビブ大学のレナン・バルカナによって最初に提案されたアイデア。
「初期の宇宙ガスよりも冷たい可能性がある唯一の既知の宇宙構成要素は暗黒物質です」とバルカナ氏は論文「最初の星によって明らかにされたバリオンと暗黒物質粒子間の相互作用の可能性」の中で説明した。 「その理由は、暗黒物質は主に重力によってそれ自体と、またバリオンと相互作用すると考えられており、そのため宇宙のごく初期に熱的に分離し、その後冷却すると予想されるためです。」
「もしバルカナの考えが確認されれば、宇宙の物質の85％を構成する謎の暗黒物質について何か新しく根本的なことがわかったことになり、標準模型を超えた物理学を初めて垣間見ることができることになる。」とボウマン氏は続けた。
「この信号の存在がわかったので、信号をさらに深く探ることができる新しい電波望遠鏡を迅速にオンラインに導入する必要があります。」とボウマン氏は言います。
結果は 2 つの論文として Nature に掲載されました
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