Constraints on the Thomson optical depth to the CMB from the Lyman-$\alpha$ forest

宇宙の歴史を理解するために、天文学者たちはしばしば、宇宙が中性水素ガスで満たされた暗く霧がかった場所であった時代へと遡ります。ビッグバン後の数億年間、このガスは光を遮り、宇宙を不透明なものにしていました。その後、ある変容が起こりました。最初の星々と銀河が点火し、強烈な紫外線が放出されて水素原子から電子を剥ぎ取り、霧を透明なプラズマへと変えたのです。この時代は「再電離の時代（Epoch of Reionization）」として知られています。私たちはこの時期を直接目で見ることができませんが、遠方の天体からの光がどれほど自由電子によって散乱されたかを研究することで、その名残を測定することができます。この散乱は、特定の「光学的厚さ（optical depth）」、すなわち、その変遷期における霧の厚さの尺度を生み出します。この厚さの正確な値を決定することは極めて重要です。なぜなら、それが宇宙論の標準モデルを検証する助けとなるからです。近年、銀河サーベイからの新しいデータは、宇宙が以前考えられていたよりも速く膨張しているか、あるいは物質が少ない可能性を示唆していますが、これらの示唆は、宇宙の霧がどれほど厚かったかという仮定に大きく依存しています。もし霧が想定よりも厚かったとしたら、ダークエネルギーや物理学の基本法則に対する私たちの理解を変えてしまう可能性があります。

研究チームは今回、宇宙で最も古い光に依存する従来の手法を回避し、この宇宙の霧を測定するための新しいアプローチを採用しました。ビッグバンの微かな残光である宇宙マイクロ波背景放射（CMB）を見る代わりに、彼らは「ライマン・アルファ・フォレスト（Lyman-alpha forest）」に注目しました。この現象は、非常に遠方にあるクエーサー（活動銀河の輝かしい中心核）からの光を観察する際に現れます。この光が数十億光年を旅して私たちに到達する際、広大な水素ガスの雲を通過します。ガスは光の特定の色彩を吸収し、スペクトル上に森のように見える一連の暗い線跡を残します。これらのガス雲の密度と温度は、光に独特の指紋を残します。研究者たちは、このガスの温度が宇宙の再電離の仕方と密接に関連していることに気づきました。最初の星々が点火したとき、それらはガスを電離させただけでなく、ガスを加熱もしたのです。この加熱はガスの圧力を変化させ、それが結果として、物質の最も小さな塊を滑らかにしました。ライマン・アルファ・フォレストのパターンを研究することで、チームはガスの熱的履歴を辿ることができ、そこから再電離中にどれほどの電子散乱が起こったかを推論することができました。

チームは、高解像度のクエーサー観測を用いて、宇宙が誕生してからおよそ10億年という特定の時期におけるガスの温度と密度をマッピングしました。彼らは、これらの実測値と、水素およびヘリウムが異なる再電離シナリオの下でどのように振る舞うかをモデル化した高度なコンピュータ・シミュレーションを組み合わせました。彼らは主に2種類のモデルをテストしました。一つは、ライマン・アルファ・フォレストから既に判明している知見に基づいて再電離時代の終わりを固定したモデルであり、もう一つは、他の研究で一般的な仮定である、再電離の期間を固定したモデルです。ガスがどのように加熱され、電離するかを支配する方程式を解くことで、彼らは観測されたガスの温度と、発生したはずの全電子散乱量の間に直接的な結びつきを作り出しました。これにより、数十年にわたり標準となってきた宇宙マイクロ波背景放射のデータに頼ることなく、光学的厚さを算出することが可能となりました。

彼らの研究結果は、宇宙が比較的急速かつ遅い再電理プロセスを経たことを示唆しています。彼らが算出した光学的厚さは約0.040であり、わずかな不確実性の範囲を伴います。この値は、異なる宇宙論的データセット間の緊張を解消するために一部の最近の研究が提案している、0.09付近のより高い数値よりも大幅に低いものです。研究者たちは、もし宇宙がこれほど高い光学的厚さを生み出すような方法で再電離されていたならば、ガスはあまりにも熱くなりすぎ、ライマン・アルファ・フォレストの小規模構造は実際に観測されているよりも滑らかになっていたはずであることを見出しました。言い換えれば、物理的な証拠であるガス雲は、銀河分布の不一致を修正するために一部の理論が必要とするような、宇宙の霧が厚かったという考えを否定しているのです。この研究は、より低い光学的厚さを想定する標準モデルが、前述の銀河間ガスの熱状態と矛盾しないことを示しています。

将来を見据え、チームは、ジェミニ高分解能光学分光器（Gemini High Resolution Optical Spectrograph）サーベイのような将来の望遠鏡が提供するであろう、より大規模なクエーサーのサンプルを利用した場合に何が起こるかをシミュレーションしました。彼らは、より多くのデータがあれば、制約はさらに厳しくなり、より高い光学的厚さの値をより高い確信を持って排除できる可能性があることを見出しました。この研究は、ライマン・アルファ・フォレストが宇宙の歴史を理解するための強力で独立したツールであることを証明しています。それは、ビッグバンの残光だけに頼るのではなく、ガスそのものを用いて初期宇宙の状態を検証する方法を提供します。これらの結果は、暗闇から光への移行が急速に、そして比較的遅く終了したという宇宙の姿を補強し、宇宙進化の理解に対して、より明確で一貫性のある基礎を提供しています。