研究の背景

宇宙で最初の星や銀河の誕生について、世界中の天文学者の大きな関心が今まさに集まっています。近年の観測技術の目覚ましい発展により、これまでに人類は133億年前の銀河まで観測できるようになりました ^[1] 。しかし、初代銀河の誕生はさらに宇宙史をさかのぼる宇宙年齢1億年から5億年の間（赤方偏移30から10; ^[2] ）であると推定されています。この時代の銀河を直接観測するには、将来の観測装置を待つ必要があるかもしれません。しかし、ほかに何か今できるアイデアは無いのでしょうか。

研究内容

東京大学宇宙線研究所の馬渡健 特任研究員、早稲田大学の井上昭雄 教授らの研究チームは、年老いた恒星からなる銀河―「老けた」銀河―に注目しました。銀河形成の多様なメカニズムの一つに、大量の星が一気に作られ、その後は星が単に年老いていくだけというシナリオがあります。このような「老けた」銀河は過去の星形成の痕跡を残す化石のような天体であるため、発見された時代よりも過去の様子を探ることが出来ると本研究をリードした馬渡 特任研究員は考えました。

「老けた」銀河は、遠方宇宙ほど数が少なく、スペクトルの特徴も少ないことから見つけるのは難しいと思われてきましたが、研究グループによると、COSMOS天域 ^[3] でこれまでに撮られた高感度・広視野・多波長の観測データをフル活用すれば発見できるということです。「老けた」銀河の数少ない特徴として、バルマーブレークというスペクトル中の段差があります（図1）。バルマーブレークの強さは銀河をつくる星の年齢に比例し、赤方偏移6でだいたい3μmの近赤外線波長域に現れます。研究チームはまず、スピッツァー宇宙望遠鏡の近赤外線画像に写る3万7千の天体の中から、3.6μmバンドで明るく、それより短波長側で見えない6天体を候補として選びました。ここでは特に、日本のすばる望遠鏡で撮った高感度の可視光データ ^[4] が、数多くある若い星形成銀河を取り除くのに役立っています。また、「老けた」銀河は星間塵の熱放射が少なく、遠赤外線で暗いはずです。そこで6天体に対してアルマ望遠鏡の超高感度観測を行い、星間塵の熱放射が見えない3天体を残しました。アルマ観測データの解析を担当した早稲田大学の橋本拓也 研究員によると、最高感度を誇るアルマでも未検出ということが「老けた」銀河である可能性を劇的に高め、他の研究と一線を画す本研究のオリジナリティになっているということです。

合計15波長の画像を用いた詳細なスペクトル解析（図2）から、これら３天体は宇宙年齢10億年程度の時代（赤方偏移6）にあり、その星の大部分は年齢７億歳という「老けた」銀河であると結論付けられました。つまり、宇宙年齢わずか3億年（赤方偏移14、135億光年の距離）の時代に誕生した銀河ということになります。

赤方偏移14における星形成率密度 ^[5] を求めたところ、直接的な観測が到達している赤方偏移10までの測定値に比べて小さいものの、減少率はゆるやかであることが分かりました（図4）。銀河の合体・集積だけを考えると、赤方偏移8以上で星形成率密度がもっと急激に減少するので、今回の結果は、宇宙最初期の銀河の星形成活動は予想外に効率的であったことを示唆しています。

今後の予定

宇宙の初期の研究では、活発な「若い」銀河が注目を集めていましたが、「老けた」銀河も、若い銀河にはない貴重な情報をもたらしてくれます。今回見つけた３つの天体が「老けた」銀河であると断定するには、バルマーブレークの詳細な分光確認が必須です。馬渡 特任研究員は、2021年にアメリカ航空宇宙局(NASA)が打ち上げを予定しているJames Webb Space Telescopeを使えば確認できるとの見通しを立てています。その観測データから、宇宙最初期にどうやって効率的に大量の星が作られたのかという物理過程の解明も期待されるとしています。

参考
– 東京大学宇宙線研究所プレスリリース『１３５億年前の星形成の痕跡を発見！〜最遠の「老けた銀河」探査〜 』
– すばる望遠鏡プレスリリース『「老けた銀河」の探査で 135 億年前の星形成の痕跡を発見』

論文・研究チーム
この研究成果は、Mawatari et al. “Balmer Break Galaxy Candidates at z ~ 6: a Potential View on Star-Formation Activity at z > 14″として、天文学専門誌「アストロフィジカル・ジャーナル」に投稿中です。
また、『再電離期のバルマーブレーク銀河候補と赤方偏移14以上の星形成率密度への制限』として、2019年9月11日から開催される日本天文学会2019年秋季年会で発表されます。

この研究を行った研究チームのメンバーは以下の通りです。
馬渡健（東京大学）、井上昭雄（早稲田大学）、橋本拓也（早稲田大学）、John Silverman（東京大学）、鍛冶澤賢（愛媛大学）、山中郷史（早稲田大学）、山田亨（JAXA）、Iary Davidzon（カリフォルニア工科大学）、Peter Capak（カリフォルニア工科大学）、Lihwai Lin（中央研究院天文及天文物理研究所）、Bau-Ching Hsieh（中央研究院天文及天文物理研究所）、谷口義明（放送大学）、田中賢幸（国立天文台）、小野宜昭（東京大学）、播金優一（国立天文台）、藤本征史（東京大学）、長尾透（愛媛大学）

この研究は、日本学術振興会科学研究費補助金（No.26287034、17H01114、16H02166）、国立天文台アルマ共同科学研究事業2016-01の支援を受けて行われました。