【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〜

プレスリリース「135億年前の星形成の痕跡を発見!」

東京大学宇宙線研究所、日本天文学会

2019.9.10

【概要】


 宇宙で最初の銀河の探求は現代天文学の重要なテーマです。これまでにビッグバンから5億年後(約133億光年の距離)の銀河まで発見されました(注1)。さらに宇宙初期の銀河形成に迫るため、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。「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り、発見された時代よりも過去の様子を探る重要な手がかりを与えてくれます。
 研究チームは、ろくぶんぎ座の方向にあるCOSMOSという天域で、宇宙年齢10億年の時代の「老けた」銀河の探査を行いました。COSMOS天域では、日本のすばる望遠鏡を含む世界中の望遠鏡が協力した観測がこれまでに行なわれ(注2)、全天で最も良質な画像データが揃っています。研究チームは、既存の観測データに加え、アルマ望遠鏡による超高感度電波観測も独自に行い、同天域にある近赤外線で明るい3万7千の天体から「老けた」銀河の候補を3つ選び出しました。
 詳細な解析から、これらの天体はいずれも、宇宙年齢10億年程度の時代にある約7億歳の星からなる「老けた」銀河である可能性が高いことがわかりました。つまり、宇宙年齢わずか3億年(135億光年の距離)の時代に銀河が誕生していたことが推測できます。
 本研究は、宇宙で最初期の星形成活動を垣間見た成果として、9月11日から熊本大学で開幕する日本天文学会秋季年会にて発表されます。

東京大学宇宙線研究所の馬渡健・特任研究員(ICRRフェロー)、柏キャンパスの研究室で

【詳細な説明】


研究の背景・先行研究における問題点


 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(注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; 注3)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。

図1:年齢毎の赤方偏移6のモデル銀河スペクトル。年老いた銀河ほどスペクトルが赤く、3μm付近のバルマーブレークが発達することがわかる。

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(注2)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(注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(注5)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(図3)
 赤方偏移14における星形成率密度(注6)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。

図2:「老けた」銀河1天体の観測画像と測光スペクトルエネルギー分布(灰色四角)。赤線は観測を最もよく再現する赤方偏移6のモデル銀河スペクトル。緑線は赤方偏移2の星間塵の熱放射が多いモデル銀河スペクトルだが、アルマ観測により、このモデルは棄却される。

図3:観測された赤方偏移6の老けた銀河(左)とその銀河が星形成をしていた赤方偏移14の時代における先祖(右)の想像図。クレジット:国立天文台

図4:赤方偏移6の老けた銀河から推定される、それらの先祖による星形成率密度(赤色塗りつぶし)。赤方偏移1から10の星形成銀河の直接観測に基づく測定値もプロットしてある。緑線は赤方偏移1から8までの測定値に対するフィット線で、赤方偏移8以上では緩やかな減少を予想する。灰色塗りつぶしは銀河の合体・集積だけを考えた理論予想であり、こちらだと赤方偏移8以降で急激な減少を示す。

   

宇宙論パラメータ計算ツールはこちらを参照。
ここで用意されている Nick Gnedin氏作成のツールを使用
また、宇宙論パラメータについては Planck 2018 の成果を使用
(Table1の一番右のコラムにある Combined の値を採用)

   

【研究チーム】


馬渡 健 (東京大学宇宙線研究所 特任研究員/ICRRフェロー)
井上 昭雄(早稲田大学 先進理工学部物理学科/理工学術院総合研究所 教授)
谷口 義明(放送大学 教授)

【用語説明】


(注1) 最遠方銀河について

 これまでに観測されて距離が正確に求まった天体のうち、最遠方のものは2018年に報告されたMACS1149-JD1であり、その赤方偏移は9.11(132.8億光年の距離)である。この最遠方銀河を見つけた研究グループの主要メンバーは、橋本拓也 早稲田大学 研究員、馬渡健 東京大学 特任研究員、井上昭雄 早稲田大学 教授であり本研究と同じである。。

(注2) COSMOS天域

 宇宙進化サーベイ COSMOSプロジェクトという戦略的観測プロジェクトが2000年代前半から始まり、約2平方度(満月9個分)のCOSMOS天域に対してこれまでに様々な望遠鏡による多様な観測が実施されてきている。ニック・スコビル カリフォルニア工科大学教授が代表を務め、日本からは谷口義明 放送大学 教授などが参加している。

(注3) 赤方偏移30から10

 赤方偏移とは宇宙論的距離を表す際に使われる指標である。宇宙の膨張に伴って遠方天体からの光は引き伸ばされ、赤方偏移 z の場合に観測される光の波長は元の(1+z)倍となる。赤方偏移は時間指標としても有用であり、例えば赤方偏移6は現在から130 億年前、赤方偏移14だと135億年前に相当する。添付資料に赤方偏移と宇宙年齢の関係の表を載せる。

(注4) すばる望遠鏡による高感度の可視光データ

 すばる望遠鏡では、超広視野撮像カメラHyper Suprime-Cam(HSC)を用いて、2014年から5年間にわたる戦略的観測を行なっている。合計300平方度という広い視野を観測しているが、COSMOS天域に対しては、特に長時間を割いて高感度の観測を実施している。本研究のメンバーである馬渡 特任研究員と小野宜昭 東京大学宇宙線研究所 助教は、この観測プログラムの遠方銀河ワーキンググループの議長を務めている。
すばる戦略枠プログラム ウェブサイト: https://hsc.mtk.nao.ac.jp/ssp/home/home_jp/

(注5) ALMA望遠鏡

 南米チリ共和国北部、標高5000メートルのアタカマ砂漠に建設された電波干渉計。2011年に科学観測を開始し、日本を含む東アジア、北米、欧州南天天文台の加盟国と建設地のチリを合わせた21の国と地域が協力して運用していまる。

(注6) 星形成率

 銀河が一年あたりに太陽何個分の星を作っているかの指標を星形成率という。さらにある体積に含まれる全銀河の星形成率を足し上げて、単位体積あたりどれだけの星が生まれたかを表す物理量は星形成率密度と呼ばれている。

       

【関連する学会】


学会: 日本天文学会秋の大会(熊本大学) 講演番号X54a(9月13日 10:06)
論文タイトル: 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

【論文情報】


雑誌名: Astrophysical Journalに投稿中
論文タイトル: Balmer Break Galaxy Candidates at z ~ 6: a Potential View on Star-Formation Activity at z > 14
著者: Ken Mawatari, Akio K. Inoue, Takuya Hashimoto, John Silverman, Masaru Kajisawa, Satoshi Yamanaka, Toru Yamada, Iary Davidzon, Peter Capak, Lihwai Lin, Bau-Ching Hsieh, Yoshiaki Taniguchi, Masayuki Tanaka, Yoshiaki Ono, Yuichi Harikane, Seiji Fujimoto, and Tohru Nagao