ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）の大規模観測データを用い、宇宙誕生から5億年後にあたる133億年前の宇宙まで遡って酸素の存在比を調べました。その結果、宇宙の最初の5億年から7億年の銀河の中で、酸素が急激に増えたことが明らかになりました。地球や生命に欠かせない酸素が、宇宙の始まりから現在までに作られた過程を解明する上で、たいへん重要な研究結果です。
ビッグバンで誕生したばかりの宇宙には、水素、ヘリウム、そして微量のリチウムといった軽い元素だけが存在していました。酸素などのより重い元素は、その後の星形成の際に星の内部で核融合反応を経て合成され、超新星爆発などによって銀河の中にばらまかれます。より遠くの銀河に含まれるガスを観測すれば、過去の宇宙における酸素の存在比を調べることができます。これまでの観測から、ビッグバンから約20億年後（120億年前）の宇宙では、既に銀河の中に豊富な酸素が存在したことが分かっていました。しかし、さらに過去の宇宙、つまり遠くの宇宙にある銀河を観測することは、宇宙膨張の影響を強く受けて銀河から放たれる可視光線の波長が近赤外線へと伸びるために、たいへん困難でした。
国立天文台や東京大学宇宙線研究所の研究者を中心とする研究チームは、これまで酸素の存在比を調べることがほぼ不可能だった120億年より前の遠い銀河を138個見つけ、それらの銀河の中の酸素の存在比を測定することに成功しました。この研究には、2022年に科学運用を始めたばかりのJWSTの近赤外線分光器で得られた観測データを用いました。その結果、現在から131億年前までの銀河では、銀河の質量などに応じた量の酸素が存在していることが明らかになりました。しかしその一方で、131億年から133億年前の宇宙で見つけた7個の銀河のうちの6個は、高い確率で酸素の存在比が現在の半分以下と少ないことが分かったのです。研究チームの中心を担う国立天文台の中島王彦（なかじま きみひこ）特任助教は、「これによって、宇宙の誕⽣から最初の5億年から7億年において、銀河における酸素の存在比が急激に増えたことが分かったのです」と強調します。
宇宙が誕生したばかりで酸素が全くなかった138億年前の時代から、豊富な酸素があり生命が存在する現在の時代までの間に、酸素が作られ銀河に蓄えられていった過程については、十分に理解されていませんでした。131億年から133億年前という初期の宇宙で、酸素の存在比が急激に高まり現在の宇宙に至ったことが示されたことで、宇宙で初めて生命が誕生したのはこれまでの予想よりも早かったかもしれないことが示唆されます。
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初期の宇宙で急激に酸素が増加した痕跡を捉える
東京大学宇宙線研究所
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