宇宙初期の星形成爆発はどこまで大規模になるのか

ジェームス・ウェッブ宇宙望遠鏡が宇宙初期の星（ポピュレーション III星）の痕跡を、理論予測より数百万年遅い時期に検出している。その謎を説く新しい理論によれば、紫外線がガス雲の冷却メカニズムを変化させることで、星の誕生タイミングが後ずれする仕組みが働いているという。

ポピュレーション III星は、宇宙で最初に形成された星である。水素とヘリウムのみで構成され、重元素を含まない「純粋な」星だ。理論上、極めて巨大で短命だと考えられていた。観測技術の向上に伴い、JWSTはこれらの星の痕跡を、従来の理論では予想されていなかった時期に発見し始めている。テキサス大学オースティン校のテ・ボン・ジョンの論文は、この現象の背後にある物理メカニズムを詳細に検討している。

ポピュレーション III星が遅い時期に形成され得る理由は、二つの条件が満たされることにある。第一に、ガス雲が早期に圧縮してしまわないこと。第二に、近隣の超新星から放出された重元素による「汚染」を避けることだ。論文の鍵となる洞察は、ライマン・ウェルナー（LW）放射という紫外線が、ガス雲の冷却メカニズムを抑制する点にある。このLW放射は軟紫外線光子からなり、冷却に必要な分子水素を分解して原子水素に変える。この過程で冷却効率が低下し、星の形成は「原子冷却」段階まで遅延する。その段階では物質量が極度に増加しており、原子水素でもやがてガスの急速な圧縮が始まり、巨大な星が誕生すると考えられる。

LW放射は超新星由来の金属粒子よりはるかに速く伝播する。近隣の超新星からのLW放射は、同じ超新星から放出される重元素粒子より数百万年も早く到達する。つまり、ガス雲はLW放射により冷却が遅延する一方で、汚染的な重元素の到着にはまだ間隔があり、その時間差の中でポピュレーション III星が形成される可能性がある。ただし観測上の困難も大きい。ポピュレーション III星と一般的なポピュレーション II星（重元素を含む次世代の星）を区別することは技術的な課題である。検出には重力レンズ現象を活用することが有効だが、対象が他の銀河と完全に一直線に並ぶ必要がある。

この研究が検証する宇宙物理学の基礎理論は、将来の観測計画に影響を与える可能性を持つ。著者らは、重力レンズを活用した観測サーベイを用いれば、遅い時期に形成されたポピュレーション III星が検出される可能性があると試算している。こうした観測技術の必要性が増すに伴い、より高精度の観測機器や検出系の開発ニーズが生じる可能性があり、宇宙産業のサプライチェーンに関わる日本の部品・装置メーカーにとって注視すべき領域である。

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