偶然がもたらした「129億光年先の星の発見」が、元素の成り立ちを知る手がかりになる

約129億年前、わたしたちの知る宇宙の黎明期にその星は誕生した。太陽の50倍は大きく、何百万倍も明るいその星は、初期の宇宙の大部分と同じようにおそらく水素やヘリウムといった軽い元素で構成されている。

その星は短期間に明るく燃え、おそらく100万年ほどで寿命を終えた。宇宙からすればほんの瞬きのような時間だ。このほどハッブル宇宙望遠鏡で発見された星は、「明けの明星」を意味する古い英語「エアレンデル（Earendel）」と名付けられた。いくつか奇跡的な偶然が重ならなければ、観測史上において地球から最も遠く離れた星として知られることはなかったことだろう。

エアレンデルの発見により、ビッグバン後の最初の10億年の宇宙の様子を垣間見ることができる。この最初の10億年は宇宙の歴史のわずか7％だ。そして129億光年というエアレンデルまでの距離は、これもまたハッブル宇宙望遠鏡が2018年に観測した巨大な青い星「イカロス（Icarus）」の90億光年という観測の最遠記録を大幅に塗り替えるものである。

これまで、これほど離れた距離で観測できる最小の天体は、初期の銀河のなかにある星団だった。「これほど遠くの星を観測できるのは非常に驚くべきことです」と、英国のダラム大学の銀河系外天文センターに務め、今回の調査研究を進めた国際チームの一員であるギヨーム・マーラーは語る。「誰も見えるとは思っていなかったでしょうね」

実際、エアレンデルは地球から観測できる最も遠い星かもしれない。なぜなら、エアレンデルの発見は米航空宇宙局（NASA）の天文学者のミシェル・ターラーが言うところの 「天体の並びによる偶然」が重なったおかげだからだ。エアレンデルは偶然にもハッブル宇宙望遠鏡と、地球とエアレンデルの間で天然のズームレンズのような役割を果たしている巨大な銀河団とを結んだ直線上に位置していたのである。

この銀河団「WHL0137-08」は重力レンズと呼ばれる現象によって拡大鏡のような役割を果たし、宇宙空間を歪めて銀河団の先にある遠方の天体の光を増幅させる。「この銀河団は素晴らしいレンズとなっています。宇宙そのものからできた天然の望遠鏡のようです」とターラーは語る。

エアレンデルの光がこの現象で何千倍にも増幅されたことから、ハッブル宇宙望遠鏡はこれまでより遠くの場所を観測できた。「信じられない距離です。129億年かけて地球に届いた光ということは、わたしたちが見ているのは生まれたばかりの宇宙の姿であるということですから」と、オックスフォード大学の天体物理学者のベッキー・スメサーストは語る。スメサーストは今回の研究には関わっていない。

スメサーストやほかの研究者は、重力レンズによる現象はプールの水面のさざなみに太陽光が当たり、一点に集中することでプールの底に光の模様ができる仕組みに似ていると説明している。

「すぐには信じられないほどでした。これまで観測された最も遠い星よりずっと遠い星でしたから」と、ジョンズ・ホプキンス大学の博士課程の学生で、科学誌『Nature』に掲載された今回の発見について詳述する今回の論文の主執筆者であるブライアン・ウェルチは語る。「通常、このような距離の場合、銀河全体が小さなシミのように見えます。この星の位置する銀河は重力レンズの効果によって拡大され、長い三日月状に歪んでいました。わたしたちはこれを『Sunrise Arc』と名付けています」

重力レンズを通して撮影した画像を分析し、初期の宇宙について研究するハッブル宇宙望遠鏡のRELICS （Reionization Lensing Cluster Survey）プログラムの一環としてこの三日月状の銀河を詳しく調べたところ、ウェルチはエアンデルを発見した。レンズの効果が星の明るさを増幅させていたことから、銀河の光の中でもひときわ目立っていたという。

ウェルチは作家J・R・R・トールキンの作品のファンで、星の名前は『シルマリルの物語』に登場する明けの明星を意味する名の人物にちなんでいる。「星の形成の夜明け、つまり時間の夜明けのころの星であることから、とてもふさわしい名前だと考えています」とNASAのターラーは言う。

エアンデルははるか昔に寿命を終えているが、その「赤ちゃんのころの写真」からは宇宙の性質や物質の起源についての重要な手がかりを得られる。「わたしたちの体を構成する化学元素の多くが形成されたころの様子を見ているのです」と、ターラーは説明する。

「宇宙には初め、水素とヘリウムのガスしかありませんでした。たったそれだけです。歯に含まれるカルシウムや血液中の鉄といったそのほかの元素は、すべて恒星の中心部で形成され、星が爆発して散ったのです。つまり、このような第1世代の星々が生命を形成するより重く、豊富な化学物質を大量につくり出しました」

研究者らはエアンデルの光度と色から、この星についての基本的なことを推論できる。しかし、それ以上のことを知り、この星が確かに連星や3つの星の連星ではなく単一の恒星であることを確かめるには、さらなる観測が必要だ。

それには新しく打ち上げられたジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）が大きな役割を担うかもしれない。32年前から使われているハッブル宇宙望遠鏡はあと10年ほどで寿命を迎える。科学者にとってもうひとつの幸運は、ハッブル宇宙望遠鏡とJWSTの両方で撮影できるこの短い期間に、エアレンデルと重力レンズが一直線上に並んだことである。「この2つの力が合わされば、宇宙についてこれまでよりはるかに多くのことが明らかになるでしょう」と、オックスフォード大学のスメサーストは語る。

ハッブル望遠鏡は可視光線を中心に観測するが、JWSTは赤外線を観測することから、エアンデルの化学組成についてより多くの情報を得られる。「ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡ではこの点において詳しく分析できます。分光観測で光を虹色に分け、星の化学組成や温度といったあらゆることがわかるのです」と、NASAのターラーは言う。

エアンデルは、「種族III」と呼ばれるビッグバン直後に存在した水素とヘリウムだけで構成される星の仮説上の分類に該当する可能性が、わずかにある。「このような星は古いので、天の川銀河にはありません」と、スメサーストは説明する。「星の中で元素がどのように形成されるかという、元素合成の理論に残された最後の謎を解き明かすことになるかもしれません」

たとえ種族IIIの星でなかったとしても、エアンデルやほかの遠くの恒星を研究することで、特定の元素が初めて物質化した時期について詳しく知ることができる。「例えば、リチウムやベリリウムが含まれていることがわかれば、それらの元素がいつごろ形成され始めたかがわかるでしょう」とスメサーストは話す。

「もしすべてが水素でできているなら、初期の宇宙で重い元素が形成された早さや、どの時点で惑星や生命が成り立つ条件が揃い始めたのかがわかります。それはビッグバンから10億年後なのか、20億年後なのか。またその間に知的な文明が生まれて消えていった可能性はあるか、といったこともわかるかもしれません」

（WIRED US/Translation by Nozomi Okuma）

※『WIRED』による宇宙の関連記事はこちら。

ハッブル宇宙望遠鏡は、まるでタイムマシンのように時をさかのぼる：今週の宇宙ギャラリー

次の10年を見通すためのインサイト（洞察）が詰まった選りすぐりのロングリード（長編記事）を、週替わりのテーマに合わせてお届けする会員サービス「WIRED SZ メンバーシップ」。毎週開催のイベントに無料で参加可能な刺激に満ちたサービスは、無料トライアルを実施中！詳細はこちら。