宇宙誕生から約10億年「星が1つもない暗黒時代」を観測する計画 

space 2020/06/18
Credit:Dr John Goldsmith / Celestial Visions
point
  • 宇宙誕生から約10億年間、宇宙には星の無い暗黒時代があった
  • この時代に存在した中性水素の放った電波を観測し、暗黒時代を見ようとする研究がある
  • 新たな研究は約130億年前の、暗黒時代の終焉を高い精度で測定する方法を発表している

現代の夜空には、数多くの星たちが輝いています。

しかし、ビッグバンで始まった宇宙に、最初から星が溢れていたわけではありません。

最初の宇宙は陽子と中性子、そして電子による数億℃にもなる高温のプラズマに満ちていました。

そこから約38万年の時間をかけて、宇宙は膨張しながら全体の温度を下げていき、プラズマは水素原子に姿を変えていったのです。

さらにそこから10億年間、宇宙は水素だけに満たされた星のない暗黒時代が続いたと考えられています。

もちろん、これは理論上の推測で、それを直接見た人はいません。けれど、科学者たちはこの輝く星が存在しなかった暗黒時代さえも観測しようとしています。

宇宙暗黒時代から発せられる、僅かな信号を探る最新の研究とは、いかなるものなのでしょうか?

星のない時代の宇宙

ビッグバン(左)から成長していく宇宙モデル。時間は右に向かって増加する。/Credit:Wikipedia

誕生直後の宇宙は、密度が高く熱い状態でした。

ここでは電子と光子が互いに干渉しあっていたため、宇宙は靄がかかったように不透明だったと考えられています。

ここから100万年未満の間に、膨張する宇宙では、電子と光子が相互作用することはほとんどなくなり、宇宙は透明になりましたが、星はまだ誕生していません。

こうして始まったのが「暗黒時代(Dark Ages)」です。

星のない時代は何億年も続き、その間宇宙を満たしていたのは電荷を持たない水素原子(中性水素原子)でした。

この暗黒時代に、私たちが見るような光はありません。しかし、なんの放射線も存在していなかったわけではありません。

中性水素原子は「21cm線」と呼ばれる、波長21cmの電波を発していました。

暗黒時代最後に放たれた21cm線は、宇宙膨張の影響で現在では波長2mの信号に引き伸ばされています。

これはビッグバンの残光と言われる、宇宙マイクロ波背景放射より多くの情報を持っている信号と考えられ、この信号をキャッチできれば、暗黒時代を終わらせた出来事について、多くの情報が得られるはずです。

この信号の存在については、確信が持たれています。しかし、その信号をキャッチすることは簡単なことではありません。

現在の宇宙は多くの天体で溢れ、電波的にも非常に騒がしい場所になっていますし、人類の活動も多くの電波を発しています。

はるか昔に中性水素原子が放ったかすかな信号は、それらによって容易にかき消されてしまうのです。

かすかな声を聞く技術

研究では、マーチソン・ワイドフィールド・アレイ(Murchison Widefield Array、MWA)というアンテナを構築して、このかすかな暗黒時代の信号を観測することを目指しています。

これは7年かけて西オーストラリアの荒野に置かれた、4096本のダイポールアンテナで構成されていて、中性水素原子の低周波信号を拾うことができます。

Credit: MWA Collaboration/Curtin University

ここでは、宇宙を飛び交う他の電波や、人間活動で発せられるノイズを除去するフィルタリングを利用して、かすかな暗黒時代の信号検出を試みています。

新たな研究では、電波の収集精度が以前の10倍改善されたと報告されていますが、まだ目的の信号の確認は達成されていません。

チームは今後、収集された約3000時間に及ぶデータをフィルターで精査し、とらえどころのない中性水素原子の信号を見つけ出し、宇宙の暗黒時代に近づこうとしています。

暗黒時代の終わりに誕生した、非常に明るい天体は、その光で中性水素を電離させ、現在の宇宙にある水素ガスのプラズマを生み出しました。

この再電離時代から、宇宙には星が溢れていくことになるのです。

現在宇宙には、星に満ちた空間と、何も天体の存在しないヴォイドという空白の空間に分かれています。また、未だに未知の暗黒物質、暗黒エネルギーの問題も存在します。

暗黒時代と再電離時代の境界に何があったのか、最初の天体はどんなものだったのか、中性水素原子のかすかな信号は、そんな宇宙の謎に、重要な手がかりをもたらしてくれるものです。

それを探る研究は、着々と進んでいるようです。宇宙で星々が生まれる前の時代まで観測しようとは、天文学はすごいですね。

西オーストラリアに構築されたMWA望遠鏡。/Credit:mwatelescope

この研究は、ワシントン大学、メルボルン大学、カーティン大学、ブラウン大学の研究者による国際研究チームにより発表され、論文は天文学に関する学術雑誌『The Astrophysical Journal』に掲載されています。

First Season MWA Phase II Epoch of Reionization Power Spectrum Results at Redshift 7
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab55e4

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reference: phys,Curtin University/ written by KAIN
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