Charting the expansion of the Universe from z$\sim$0 to z$\sim$14 with HII galaxies

宇宙を、誕生の瞬間から膨張し続けている巨大で目に見えない風船だと想像してみてください。何十年もの間、科学者たちはこの風船が正確にどれほどの速さで膨張しているのか、そしてその速度が変化しているのかどうかを解明しようと試みてきました。これを行うために、彼らは「標準光源」——特定の、予測可能な明るさを持つ宇宙の天体——を必要とします。これらの天体が「本来あるべき」明るさと、地球から「実際に見える」明るさを比較することで、天文学者はそれらがどれほど遠くにあり、私たちとの間の空間がどれほどの速さで引き伸ばされているのかを計算できるのです。

長い間、この仕事のための最良の道具は、Ia型超新星（爆発する星）や宇宙マイクロ波背景放射（ビッグバンの名残）でした。しかし、これらの道具には限界があります。超新星は非常に初期の宇宙では観測が困難であり、背景放射の輝きは宇宙の始まりについてしか教えてくれません。宇宙の膨張という物語の全容を真に理解するためには、「宇宙の夜明け（コズミック・ドーン）」、つまり最初の星たちがまさに瞬き始めた時代まで到達できる、新しい種類の「物差し」が必要でした。ここで、H II銀河と呼ばれる特殊なタイプの銀河が登場します。これらは激しい星形成が行われている混沌とした苗床であり、強烈な光を放っています。もし、これらの明るさとガス雲の速度が信頼できる形で結びついているならば、これらは私たちの近所から時間の始まりまで遡る宇宙の物差しとして機能する可能性があるのです。

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夜明けまで遡る宇宙の物差し

天文学者のチームが、宇宙の地図作成における壮大な偉業を成し遂げました。彼らは、私たちのすぐ裏庭から、宇宙が誕生してわずか数億年しか経っていない時代まで続く、H II銀河で作られた超ロングな新しい物差しを用いて、宇宙の膨張をマッピングしました。MNRAS誌に掲載されたこの研究は、「ハッブル図」——距離と赤方偏移（天体からの光がどれほど引き伸ばされたか）の関係を示すマップ——を、記録的な赤方偏移 $z \sim 14$ まで拡張しています。

彼らが何をしたのかを理解するために、ギターのチューニングをしようとしているミュージシャンを想像してみてください。もし、特定の弦が特定の音を出すために特定の速度で振動すべきだと分かっていれば、音程を聞くだけでその弦が緩んでいるか締まっているかを判断できます。宇宙において、H II銀河はそのギターの弦のようなものです。これらは、巨大で若い星がエネルギーを放出することで、光り輝くガスの雲を作り出す、激しい星形成の領域です。この論文は、銀河の光度（どれだけ明るいか）と速度分散（内部のガスがどれほど速く動き回っているか）の間に知られている関係に基づいています。ガスが速く動くほど、銀河はより明るくなる傾向があります。

チームは、これら243個の銀河からなる大規模なサンプルを集めました。そこには、他の手法（特定の種類の星の明るさを測定するなど）によって距離がすでに判明している36個の「アンカー（錨）」となる近傍の銀河が含まれています。次に、107個の局所的なH II銀河を加え、さらにジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）とALMA電波望遠鏡によって観測された膨大な数の遠方の銀河を加えました。これらのターゲットの中には、光が130億年以上も旅をしてきた、宇宙の「夜明け」の時代に由来するほど遠いものもあります。

大発見：ルールは変わっていない

この論文の最もエキサイティングな部分は、最も古く、最も遠い銀河を見たときに何が分かったかという点です。しばらくの間、この「ギターの弦」が時間の経過とともに調律を変えてしまうのではないかという懸念がありました。一部の研究者は、初期の宇宙ではこれらの銀河が異なる挙動を示し、速度と明るさの関係が平坦になったり、崩れたりする可能性があると示唆していました。もしそれが真実であれば、初期の宇宙に対してこれらを用いることは、朝と晩で伸び方が異なるゴムバンドを使って部屋の大きさを測ろうとするようなものです。

しかし、この論文は、ルールは全く変わっていないことを示しています。著者らは、銀河の明るさとガスの速度の関係は、赤方偏移 $z \sim 14$ という高い値においても、極めて堅牢であることを発見しました。近くの銀河を見ても、夜明けの時代の銀河を見ても、「調べ（チューン）」は同じでした。データは、この星形成領域を支配する物理学が、宇宙の歴史の98%にわたって大きく進化していないことを示しています。これは極めて重要なことであり、H II銀河が、宇宙の全年齢にわたって宇宙の距離を測定するための信頼できる独立した手段であることを意味しています。

これがダークエネルギーについて教えてくれること

この信頼できる物式を手にしたチームは、宇宙の膨張の歴史を計算しました。彼らは、宇宙の膨張を加速させている謎の力であるダークエネルギーを特に注目しながら、宇宙がどのように膨張するかについての異なるモデルをテストしました。

$\Lambda$CDM（ダークエネルギーが一定の力であると仮定するモデル）と呼ばれる標準モデルを用いて、ハッブル定数（$h$）と物質密度（$\Omega_m$）を算出しました。彼らの結果は以下の通りです：

• $h = 0.725 \pm 0.040$
• $\Omega_m = 0.308^{+0.043}_{-0.053}$

また、ダークエネルギーが時間とともに変化する可能性のあるモデル（パラメータ $w_0$ と $w_a$ を使用）もテストしました。彼らの知見は、ダークエネルギーが一定の力として振る舞うことを強く示唆しており、その値は標準的な宇宙論モデルと一致しています。例えば、$w_0 = -0.96^{+0.53}_{-0.21}$ という値を見出しましたが、これは一定のダークエネルギーに期待される $-1$ という値に非常に近いものです。

なぜこれが重要なのか

この論文は、$L-\sigma$ 関係（明るさと速度の結びつき）が高赤方偏移において大きく変化するという考えを明確に否定しています。著者らは、遠方の銀河において「傾きが平坦になる」という以前の示唆は、物理学の真の変化ではなく、データの範囲が限られていたことによるものだと主張しています。遠方の銀河が今日と同じように振る舞うことを確認したことで、著者らは宇宙論における理解を検証するための新しい道を切り開きました。

彼らは単に新しい数値を見つけたのではありません。手法を検証したのです。H II銀河が $z \sim 0$ から $z \sim 14$ まで「標準化可能な光源」として機能することを示すことで、宇宙の膨張に関する現在の理論が正しいかどうかをチェックするための強力な新しいツールを宇宙論学者に与えました。彼らの結果は、超新星を用いた他の主要な研究とも密接に一致しており、宇宙の最初の瞬間まで遡っても、現在の宇宙モデルが正しい軌道に乗っているという考えを補強しています。

要するに、宇宙の膨張の物語は新しいペンで書かれつつあり、今のところ、その物語は最初の一ページから最後まで一貫しているようです。初期の宇宙の「ギターの弦」は、私たちのすぐ裏庭にあるものと同じ歌を歌っており、物理学の根本的な法則が数十億年にわたって安定していたことを証明しています。