JWST がついに宇宙最大の疑問に答えます

宇宙がどのようなものかを知りたければ、見ることだけが必要です。 目が良くなればなるほど、より良く見えるようになるため、天文学における進歩の多くは、光学望遠鏡の進歩や改良と重なってきました。 私たちはそのサイズを徐々に大きくし、現在では 8 ～ 10 メートル級の望遠鏡が地上から世界をリードしており、30 メートル級の望遠鏡も登場する予定です。 私たちはこれらの望遠鏡に、さまざまな波長フィルター、分光法、その他のさまざまな高度な技術を活用して、収集する光の各量子を最大限に活用する、より優れた高感度の機器を装備しました。

地上では、大気によってもたらされる歪みを「ぼかさない」ための前例のない補償光学システムを開発し、場合によっては大気圏を超えて宇宙にまで到達しました。 目が良くなればなるほど、宇宙の焦点がよりはっきりと見えます。

しかし、光学望遠鏡でできることには限界があり、その限界は宇宙そのものによって設定されています。 宇宙が膨張するにつれて、宇宙を通過する光の波長は引き伸ばされ、この引き伸ばしは物体が遠くなるほど非常に厳しくなります。 紫外線は光学領域に広がり、さらにその先の赤外線に広がります。 そこで、ジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) が登場します。その赤外線の目と宇宙のはるか彼方に位置するこの望遠鏡は、私たちが見ることを夢見てきたような宇宙を真に明らかにしており、驚異的な進歩と驚きに満ちています。

地球上からは、大気中を透過できる光の種類が大幅に制限されています。 私たちは光学的な光をよく見ることができますが、スペクトルの紫外および近赤外部分のほんの一部しか見えません。 ラジオで再び状況が明らかになるまで、X線やガンマ線の光はほとんど見えず、中赤外線、遠赤外線、マイクロ波の光もほとんど見えません。 それが宇宙の大きな利点です。地球の大気によるぼやけの影響を取り除くだけでなく、いくつかの非常に重要な光の波長は地上からはまったく観察できません。

ハッブルは、光の波長だけでなく、近赤外線の波長でも驚くほど豊富なデータを提供しました。 ハッブルが近くから見ると「ブリキ缶」のように見えるのは、ハッブルを冷たくするためであり、遭遇する光と​​熱をできるだけ多く反射するためです。 赤外線は私たちが熱として感じる光であり、物体が十分に熱くなると、可視光線で赤、オレンジ、黄色、さらには白から青に光ることがわかっています。 可視光で輝いているのが見えなくても、ハッブル宇宙望遠鏡のような天体は赤外線でかなりの量の光を放射します。 その結果、ハッブルで行われた反射の努力にもかかわらず、熱雑音が機器を圧倒する前に、ハッブルは波長約 2 ミクロンまでしか観測できません。

だからこそ、JWST は、少なくとも天文学者の観点からは、さまざまな点で非常に注目に値します。

これらの中赤外波長を調査するには、そのデータを使用する機器 (MIRI: 中赤外機器) をさらに冷却する必要があります。 これは、JWST に搭載され、最大 6 ～ 7 K まで積極的に冷却される唯一のシステムです。これらの機能を備えた JWST は、遠すぎたり、暗すぎたり、光が長く伸びすぎた銀河を観察することができます。ハッブルによって観測される膨張する宇宙による波長。

しかし、JWST が以前のバージョンと比較してどれだけ優れているかは、調べてみるまでは明らかではありません。 その理由は、まだデータがない、まだ観測されていない宇宙を調査するためにそれを使用しているからです。 確かに、私たちはそこにあるべきだと思うものに対して期待を持っていますが、宇宙はこれまでにも驚きや次のような疑問に満ちていました。

これらはすべて、JWST が初めて答えることができる質問です。

銀河系外宇宙の重要な領域を深く調べることで、これらの質問に答えようとする 5 つの主要な初年度提案があります。 そのうちの 2 つ、Panoramic と COSMOS-Web はまだ結果を発表していません。 他の 2 つの銀河、GLASS と CEERS は、ハッブルによる初期の GN-z11 の記録を超える銀河の例を含む、多くの超遠方銀河を発見しました。この銀河は、ビッグバンからわずか 4 億年後に光が私たちに届いた銀河です。

しかし、宇宙の中で最も興味深い領域の 1 つは、現在の宇宙の距離記録保持者 (この記録は 2023 年末までに確実に破られるでしょう) をもたらした調査のおかげで得られました。JADES です。 JWST Advanced Deep Extragalectic Survey の略で、夜空全体の 100 万分の 1 (0.0001%) 弱に相当する 125 平方分角の総面積にわたって、合計 770 時間の NIRCam、MIRI、NIRSpec イメージングを組み合わせたものです。 しかし、その空の領域には、歴史上最も重要に撮影された 2 つの領域、つまりオリジナルのハッブル ディープ フィールドと、ハッブル ウルトラおよびエクストリーム ディープ フィールドが含まれていました。

これらの宇宙領域内には、これまでにハッブルによっていくつかの超遠方銀河候補が特定されていた。そのうちの約 40 個は宇宙史の最初の 6 億 5,000 万年に由来し、そのうちの約 4 個は最初の 5 億年のものである。 問題は、これらが銀河の候補にすぎないということです。私たちはその光を観察することで銀河の候補を識別しますが、これらの銀河の候補が、私たちが考えている実際の距離にある銀河であることを確認する唯一の方法は、分光分析を実行することです。光を構成するすべての異なる波長に分解し、特定の特徴がどこに現れるかを特定します。 銀河候補を「確認された銀河」の地位に昇格させることができるのは、分光分析によってのみです。

基礎となる科学は次のとおりです。 一連の波長範囲にわたって光を集める標準的な方法である測光を使用して銀河を画像化すると、その銀河が主に若い星で構成されているか、若い星と古い星の混合であるかによって、その光がどのように分布するかがわかります。 、または主に年上のスター。 (宇宙の後期では、あらゆるタイプの銀河が存在しますが、初期の段階では、主に銀河は若い星で構成されていると予想されています。) 特定の波長より下では、電子が原子の基底状態に遷移する紫外線の限界です。光は届かないが、より長い波長ではたくさんの光が見えるはずです。

この遷移点は重要であり、銀河の「ライマンブレイク」として知られています。水素の n=1 状態への遷移が発生します (ライマン系列を覚えているなら)。 宇宙が拡大するにつれて、ライマンブレイクの波長も伸びます。 したがって、JWST の場合、短波長の光は見られないが、長波長の光がたくさん見られる場合は、優れた超遠方銀河の候補となります。

ただし、次のことを確認するために：

分光学的な追跡調査を実行する必要があります。

測光は比較的簡単に実行できます。 同じ観測セットを使用して、何千ものオブジェクトに対して一度に実行できます。 一方、分光法は高価です。異なる波長ごとにどれだけの光があるかを判断するために必要な光の量を得るには、物体ごとにはるかに長い時間観察する必要があります。

しかし、その成果は計り知れません。銀河の距離、光の広がり、水素、酸素、その他の元素の特徴の強さなど、銀河の重要な特性を推定する代わりに、それらを直接測定できるのです。

それが、JADES や JWST で行われたような他の調査の非常に注目に値する強力な点です。NIRCam などの機器を使用して空の広い領域を観察し、銀河の特性の測光推定値を比較的簡単に取得できます。 次に、測光によって特定した最も興味深い天体を選択し、NIRSpec 機器などを使用して分光追跡観測を実行できます。 私たちは、現在誕生から 138 億年が経過している宇宙が今日どのようになっているのかを一般的に知っています。 しかし、最初の数億年、つまり宇宙の歴史の最初の 5% は依然として大きな疑問符であり、JWST が答えを提供してくれることを私たちは望んでいます。

さて、JADES は、第 242 回アメリカ天文学会総会で、私たちが期待していた最も注目すべき科学のいくつかを発表しました。 まず最初に、彼らは125平方分角の観測領域全体で、宇宙の歴史の最初の5%からなんと717個の銀河候補を特定した。これは、ハッブルが以前に観察した「約40個」よりも信じられないほどの進歩である。 実際、測光によって特定されたこれら 717 個の候補のうち、なんと 93% がこれまでに発見されたことがなく、ハッブルや他の天文台によっても発見されたことがなく、これは私たちにとって、それらが前例のない能力のおかげで明らかになったに過ぎないことを示しています。 JWST天文台。

しかし、物語はさらに良くなります。 これら 717 個の銀河候補のうち、42 個について分光追跡調査が行われました。 スペクトルが到着すると、42 個のうち 41 個が、測光によって示唆された赤方偏移と距離の組み合わせと一致しているか、ほぼ一致していることが確認されました。 さらに驚くべきことは、確認されていなかった物体は、実際にはもう一方の真上に 2 つの物体が重なっていることが判明しました。1 つは近くに、もう 1 つははるか遠くにありました。 近くの天体 (わずか約 110 億光年離れたところにある) からの光が差し引かれると、42 番目の天体 (より遠い天体) も測光データと一致しました。 42 個のスペクトルが収集され、42 個の超遠方銀河が確認されました。 もっと良くするのは難しいです。

そしてそれはまだ始まったばかりです。 分光学的に確認された最も遠い銀河は JADES-GS-z13-0 として知られており、その光は熱いビッグバンの開始からわずか 3 億 2,000 万年後に私たちに届きます。 JADES の視野内だけでも、現在の宇宙記録保持者よりも測光的に推定された距離が長い銀河候補が 17 個追加されていますが、それらはすべてまだスペクトルを持っていません。 それだけでなく、COSMOS-Web のデータはすべて未公開であり (2023 年 6 月時点でその約 50% がまだ取得されていない)、JADES がこれまでに行うよりもはるかに広い空の領域を調査することになります。

しかし、JWST の前例のないサイズと分解能の複合効果により、これらの銀河を観察することで宇宙について膨大な量を学ぶことができます。 ハッブルのような天文台の場合のように、JWST にとっては単なる「点」や「汚れ」ではありません。

これらの銀河は、その内部で大規模な星形成の爆発を示しています。 これらのバースト中に発生する高温の大質量星は、宇宙の再電離プロセス、つまり銀河間物質の中性原子が紫外線光子のおかげで再電離するプロセスに大きく寄与しています。 これらの銀河内の輝線は非常に強いです。 そして最後に、これらの銀河には幅がわずか数百光年から数万光年まで、非常に多様なサイズがあり、私たちの宇宙の天体の多くが急速に成長したことを示しています。多くの天文学者が予想していました。

私たちは、宇宙がどのように成長したかの大まかな流れをまとめるのに十分なところまで来ており、すべての部分をしっかりとまとめるために数十年にわたる追加の研究につながる物語のように見えます。

私たちが一連の知識に組み込んでいるこの JWST 科学はすべて、誕生してから丸 1 年も経っていません。 望遠鏡からより多くのデータが流入し続け、さまざまな観測スキームを使用するさまざまなチームが結果を発表するにつれて、私たちは JWST をさらに効率的かつ効果的に使用する方法を学ぶことになります。 これは、私たちが何か新しいことを学ぶたびに、コミュニティ全体が恩恵を受けるという輝かしい事例です。 寿命は 2040 年代まで続くと予想されており、私たちは数十年にわたる新しい科学、新しい発見、そして宇宙がどのように成長したかについての新しい理解を大いに楽観的に待ち望んでいます。