2011年10月6日
左から长尾准教授、松冈氏
松岡健太 理学研究科／愛媛大学理工学研究科 日本学術振興会特別研究員、長尾透 次世代研究者育成センター（白眉プロジェクト）准教授、谷口義明 愛媛大学宇宙進化研究センター長／教授を中心とする研究チームは、すばる望遠鏡の微光天体分光撮像装置FOCASを用いた可視分光観測によって、125億光年彼方にある最遠方電波銀河TN J0924-2201から放射された炭素輝線の検出に世界で初めて成功しました。検出された輝線を調査したところ、驚くべきことに宇宙誕生後10億年頃の電波銀河には既に炭素元素が豊富に存在していたことがわかりました。
元素が宇宙の歴史の中でいつ、どのように生成されてきたのかという问题は未だに解き明かされていません。今回の结果は宇宙の化学进化を理解する上で非常に重要な成果であるとともに、生命の基本构成元素である炭素がいつ生成されたのか、すなわち生命の究极的なルーツを知る手掛かりになるかもしれません。
なお、この研究成果は、2011年8月発行のアストロノミーアンドアストロフィジクス誌に掲载されました。
研究の背景と経纬
私たちが住んでいる宇宙は今からおよそ137亿年前、ビッグバンという大爆発によって诞生したと考えられています。诞生直后の宇宙にはビッグバンで生成可能な水素とヘリウムしか存在しませんでした。では现在私たちのまわりに存在する酸素や炭素、鉄、マグネシウムといった多种多様な元素はいったいどのように生成されたのでしょうか。その答えは夜空に辉く星にあります。太阳のように自ら辉く星（恒星）はその内部で核融合反応を行い、また大质量星になると超新星爆発という现象を伴った壮絶な最期を遂げます。自然界に存在する元素は、これら恒星の进化に伴う现象によって生成されると考えられています。宇宙が诞生して现在に至るまでに无数の星が生まれ、そして死んでいくことで元素は蓄积されてきました。しかしながら、このような元素生成が宇宙の歴史の中でいつ、どのように行われてきたのかという「宇宙の化学进化」の侧面は未だに解き明かされていません。私たち人间自身も酸素や炭素、窒素、カルシウム、リンといった重元素によって构成されていることを考えると、化学进化を理解することは生命のルーツに対する理解にも繋がる极めて兴味深い课题とも言えます。
研究内容
化学进化を调べる方法の一つとして、様々な赤方偏移の天体に対してその元素量を调べることが挙げられます。赤方偏移は距離の指標であり、同時に時間の指標でもあります。つまり、元素量の赤方偏移に対する振る舞いを調べることで元素量の時間進化を見ることができます。今回、京都大学および愛媛大学の研究者を中心とする研究チームは、巨大ブラックホールの重力エネルギーにより電波や可視光で極めて明るく輝く「電波銀河」と呼ばれる天体に着目しました。電波銀河を用いた元素量診断の研究はこれまでにも行われていますが、そのほとんどが赤方偏移3あたりまでの宇宙、すなわち今から115億年前までの宇宙しか調べられていませんでした。しかもこれらの調査の結果は、現在の宇宙に見られるような元素が115億年前には既に生成されていたことを示しています。これは、少なくとも宇宙誕生後20億年以前の電波銀河を調べなければ元素が生成されている現場を見ることができないことを意味しています。そこで研究チームは現在最も遠くで見つかっている電波銀河TN J0924-2201（赤方偏移5.19：図1）に着目して、その元素量を測定するためにすばる望遠鏡の微光天体分光撮像装置FOCASを用いた可視分光観測を行いました。
研究成果と今后の展望
この天体はこれまでも何度か観测されていたのですが、元素量诊断に必要な水素やヘリウム以外からの辉线はとても弱いため、検出できていませんでした。しかしながら、今回のすばる望远镜による分光観测によって、元素量诊断に必要な炭素辉线の検出に世界で初めて成功しました（図2）。125亿光年彼方の电波银河からの水素、ヘリウム以外からの辉线の検出は今回が初めてであり、この辉线から宇宙诞生后10亿年顷の电波银河における元素の详细な研究が可能となりました。今回検出された辉线を调査したところ、惊くべきことに当时の电波银河でも既に相当量の元素が存在していたことがわかりました。さらに本研究チームは今回の観测とシミュレーションの结果を比较することで、当时の电波银河の炭素存在量を推定しました。その结果、银河进化の中でゆっくりと増加してきたと考えられている炭素元素でさえ、その大部分が宇宙诞生后10亿年顷に既に生成されていたことがわかりました。これは现在电波银河に见られるような元素のほとんど全てが宇宙の诞生后10亿年以内という极めて短い期间に爆発的に生成されたことを示唆しています。
研究をリードしてきた松冈特别研究员は、「私たちはどこからきて、どこへいくのか。人类のルーツにも繋がる元素生成の歴史を解き明かすために、今后もさらなる调査を进めていきたい」と意気込んでいます。また、长尾准教授は、「このような研究に有用な远方宇宙における巨大ブラックホール天体を更に调査することが、今后ますます重要になるでしょう」と今后の展开について期待を寄せています。
研究チームの构成
松岡健太（京都大学大学院理学研究科／愛媛大学理工学研究科 日本学術振興会特別研究員）
長尾透（京都大学次世代研究者育成センター（白眉プロジェクト） 准教授）
Roberto Maiolino（ローマ天文台 准教授）
Alessandro Marconi（フィレンツェ大学 准教授）
谷口义明（爱媛大学宇宙进化研究センター长／教授）
参考図
- 図1：最遠方電波銀河TN J0924-2201のハッブル宇宙望遠鏡による可視光画像。TN J0924-2201は可視光で25.85等級の明るさ。
- 図2：すばる望遠鏡のFOCASで取得された最遠方電波銀河TN J0924-2201の可視スペクトルと炭素輝線（下向き矢印）周辺の拡大図。図中の左端付近に見えるのは水素からの輝線。すばる望遠鏡を用いることで非常に微弱な125億光年彼方の炭素輝線を世界で初めて検出しました。
用语解説
元素
ビッグバンによって生成が可能な水素、ヘリウム以外の元素のことを天文学の世界では重元素と呼びます。
赤方偏移
天体が観测者から远ざかる场合、天体から放射された光の波长はドップラー効果によって长波长侧に伸ばされます。この现象は赤方偏移と呼ばれ、膨张によって远くにある天体ほど速く远ざかることが知られているこの宇宙では距离の指标としても使われます。赤方偏移5.19の天体は约125亿光年彼方にあり、この天体から放射された光は125亿年かけて私たちに届きます。つまり、この天体から放射された光を调べれば今から125亿年前の宇宙の様子を探ることができます。
研究论文の出典
Kenta Matsuoka, Tohru Nagao, Roberto Maiolino, Alessandro Marconi, Yoshiaki Taniguchi, A&A, 532, L10, "Chemical properties in the most distant radio galaxy"
関连リンク
- 论文は以下に掲载されております。
- 国立天文台すばる望远镜ウェブページ
- 朝日新聞（10月7日 35面）、京都新聞（10月6日夕刊 1面）、日本経済新聞（10月6日夕刊 16面）、毎日新聞（10月6日夕刊 8面）および読売新聞（10月7日 37面）に掲載されました。