ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が捉えた予想外の初期宇宙の姿

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）は、ビッグバンから数億年後の初期宇宙に存在するはずのない巨大ブラックホール、古代銀河、正体不明の天体「リトルレッドドット」を次々と発見し、従来の宇宙物理学理論に大きな疑問を投げかけている。100人以上の研究者が2026年4月にデンマークのヘルシンゲルに集まり、これら観測結果の説明に乗り出した。

2022年の運用開始以来、JWSTが撮影した画像から数百個のリトルレッドドットが発見された。これらの天体は従来の観測では捉えられず、ビッグバンから約650万年後に数多く出現し始めたと考えられている。JWSTの観察により、理論上の成長速度を大幅に超えるペースで質量を増すブラックホールや、初期宇宙の理解を覆す銀河が数多く見つかっている。

リトルレッドドットの正体

リトルレッドドットについて、研究者らは厚いガスに包まれたブラックホール、あるいは完全に新しい種類の天体「ブラックホール星」の可能性があると考えている。最近、ビッグバンから約750万年後のリトルレッドドットが銀河団による重力レンズ効果で拡大された画像が詳しく調査され、太陽の質量の約5000万倍の「裸の」超大質量ブラックホールであることが判明した。

Princeton Universityのメイソン（Charlotte Mason）氏は「今どうするか。もう一度始める必要がある。ただし、もしガスをムラムラにすれば、（信号が）より近い見た目を得られるはずだ」と述べた。

急速な成長のメカニズム

観測されたブラックホールの成長速度は理論の限界を大きく超えている。ビッグバンから約15億年後のブラックホールは、Eddington限界の約40倍のペースで物質を吸収していたことがJWSTの観察で明らかになった。Eddington限界とは、ブラックホールの成長を制限する理論上の吸収限界であり、この限界を超えた成長は数億倍の質量増加に必要な時間内では不可能とされていた。

Princetonの研究者グリーン（Jenny Greene）氏は「それほど急速に成長させるには、いくつかの工夫が必要だ」と指摘し、「ブラックホールがそこまで大きくなるのは本当に難しい。無理やり大量に物質を与える必要がある」と述べた。グリーン氏はさらに「直接崩壊モデルの問題点は、非常に限定的な条件を必要とすることだ。コンピュータ・シミュレーション上では直接崩壊ブラックホールを作ることは可能だが、観測されるすべてのブラックホールを説明するのに十分な数を作ることはできない」と語った。

グリーン氏は「ブラックホールの成長方法に、われわれがまだ完全には理解していない明らかな違いがある。そのため、物理的に何が異なるのかを理解しようとすることが、今もっとも興味深いテーマだ」と述べている。

初期銀河の多様性

JWSTの観察は、初期宇宙における銀河形成の理解も大きく変えつつある。JWSTが発見した最古の銀河はビッグバンからわずか280万年後に存在していた。

Flatiron InstituteのSomerville（Rachel Somerville）氏は「赤方偏移15（ビッグバンから約270万年後）までは大きな変化がなく、その後ガスがフィラメント構造に沿って大量に流入し始める」と説明する。同氏は「赤方偏移11（約420万年後）で星形成速度が大きく加速し、赤方偏移9（約550万年）で見事な銀河が形成される」と述べた。

Paris Institute of Astrophysics at Sorbonne UniversityのAtek（Hakim Atek）氏は「早期宇宙で観測される銀河特性の多様性が最大の驚きだ。同じように見えるはずだと予想していた」と指摘した。Atek氏によると、観測された銀河には顕著な違いが見られるという。「星間物質をすべて排出してしまった銀河もあれば、大量のガスを持つ銀河もある。前者は裸の星々だけが見えるような状態だ」と述べている。

また、MIRI（中赤外線検査器）の観察から、初期銀河には科学者が想定していたのと同じ特性がないことが明らかになった。一部の初期銀河は星間物質をすべて排出した証拠を示しており、別の初期銀河群は窒素の過剰な存在を示している。窒素の存在は初期宇宙に特に巨大な星が多く存在した可能性を示唆し、初期銀河での爆発的な星形成の可能性を示唆しているとみられる。

Somerville氏は「早期銀河が数多く存在するという問題から、それらを説明する理論が数多く存在するという問題に変わった」と述べ、「Webb運用開始以来、特にこの1年間で数値シミュレーションに関して本当に顕著な進展があった」と付け加えた。

Cosmic Dawn Center in CopenhagenのChristensen（Lise Christensen）氏は「われわれ自身を創造したものを見つめている」と述べた。

筆者の見立て

• リトルレッドドットが厚いガス雲に包まれているとすれば、ガスを通過した光の一部は変化しているはずであり、この信号は従来理論をより正確に検証するための鍵となる可能性を示唆している
• 初期宇宙で観測される銀河特性の多様性は、バースト的な星形成の指標として解釈している
• 初期段階での明るい銀河の発見当初、一部の科学者は基礎的宇宙論自体が誤っている可能性を示唆する議論を展開した
• われわれは実際には星で鍛造された元素からできており、それらは気体とちりとしてこの空間に放出されたという見方を示唆している

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出典

Quanta Magazine「Astrophysicists Puzzle Over Webb's New Universe」https://www.quantamagazine.org/astrophysicists-puzzle-over-webbs-new-universe-20260702/