「宇宙の夜明け」の終わりは宇宙誕生11億年後か!?

ドイツ、マックスプランク天文学研究所のSarah Bosman氏らの研究グループは、67個のクエーサーを調べた結果、宇宙の再電離が終了したのは宇宙誕生から約11億年後であるとの研究を発表しました。この「宇宙の夜明け」の終了時期を特定することは、宇宙を再電離させた星や銀河を調べるのに役立つとのことです。

ファーストスターがもたらした「宇宙の夜明け」

宇宙が誕生したときのビッグバンから38万年後まで、宇宙は陽子と電子が電離してバラバラになった高温・高密度のプラズマ状態でした。ビッグバンからしだいに温度が下がっていき、38万年後になって十分に温度が下がると、それまでバラバラだった陽子と電子が結合して電気的に中性の水素原子になりました。

宇宙に星や銀河が生まれるのはもう少し先のことになります。そのころの宇宙には水素など軽い元素のガスと暗黒物質、そしてビッグバンの名残の電磁波があるだけで、可視光で見えるものはありませんでした。その時代のことは「宇宙の暗黒時代」と呼ばれています。

やがて宇宙を漂うガスが集まって第1世代の星(ファーストスター)が形成されます。星々から放射される高エネルギーの紫外線は、周囲の中性原子を再び電離させ、陽子と電子がバラバラになりました。この時代のことは「宇宙の再電離」「宇宙の夜明け」などと呼ばれています。宇宙の夜明けの時期がわかれば、その時期に存在していた星などの電離源の性質や寿命に制限を与えることになります。

67個のクエーサーの光を分析

研究チームは、遠方にある67個のクエーサーからの光を分析することで、再電離の終了時期を調べました。銀河全体よりも明るく輝く銀河の中心部のことを活動銀河核といいます。クエーサーとは、活動銀河核の中でも明るい部類の天体で、銀河中心にある超巨大ブラックホールに落ち込むガスが作る円盤(降着円盤)が明るく輝いています。

クエーサーからの光が地球に届くまでの間に中性水素があると、光の一部が中性水素に吸収されてしまい、クエーサーからの光のスペクトルの121.6ナノメートルのところに「吸収線」が現れます。この波長は紫外線に相当しますが、宇宙が膨張しているため赤方偏移によって地球には赤外線として届きます。研究チームは、この吸収線のデータと物理モデルを用いることで、「宇宙の夜明け」の終わりを宇宙誕生から約11億年後と割り出しました。

Image Credit: Carnegie Institution for Science / MPIA (annotations)

(参照)Max-Planck-Gesellschaft