人類が見つけた最も古い星は「134億歳」…星の第1号は宇宙誕生から2億年後に誕生

ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（写真・NASA）

　宇宙の誕生については、現在でも確たる定説はない。

　しかし、一つのアイデアがある。それは “無” から宇宙が生まれたというものだ。 “無” と聞くと、何もないと思う。それが私たちの常識だ。しかし、ここでいう “無” は、物理の世界の “無” であり、宇宙を作る能力を秘めた “無” である。

“無” から宇宙が誕生したとき、その宇宙には時間と空間が生まれた。時が流れ出すと同時に、宇宙は状態を変えながら急激な膨張を経験する。インフレーションと呼ばれる現象である。

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　インフレーションは宇宙に膨大な熱を残す。宇宙は灼熱の火の玉になる。その熱エネルギーを使って、宇宙はさらに膨張を続ける。これがビッグバン・モデル（あるいはビッグバン宇宙論）と一般に呼ばれている宇宙誕生のモデルである。

　火の玉宇宙は膨張を続けるが、宇宙は膨張するにつれて温度が下がっていく。そして、宇宙年齢が38万歳の頃、宇宙に大きな変化が訪れる。

　それまでは、温度が高くガスは電離していた。水素原子は陽子と電子からなるが、電離しているということは陽子と電子に分かれて存在しているということだ。宇宙年齢が38万歳の頃、宇宙の温度は3000Kまで冷え、陽子と電子は結合し水素原子になる。

　それまで、光は電離ガスに散乱されて宇宙の中を進むことはできなかった。しかし、水素原子になると散乱はおさまるので、光は宇宙の中を自由に伝播することができる。

　宇宙はそのあとも膨張を続け、温度は下がり続ける。そしてようやく星の故郷である冷たい分子ガス雲ができ、星が生まれ始める。初代星。宇宙の一番星だ。宇宙年齢が2億歳の頃のことだ。それまでは宇宙には星がないので、闇に包まれている。そのため、宇宙最初の2億年は “宇宙の暗黒時代” と呼ばれている。

　今のところ、宇宙の一番星は見えていない。現時点で人類が発見した最も遠い銀河は、ハッブル宇宙望遠鏡が見つけたGN-z11。134億光年彼方にある銀河だ。宇宙誕生後、わずか4億歳の宇宙に見つかった銀河だ。

　さすがに、まだ不規則な形をしている。現在の円盤銀河に見られるような美しい渦巻はない。このあと、多数の銀河と合体しながら形を整えていくのだろう。ざっと数十億年はかかるプロセスである。

　134億光年彼方はかなり遠いが、宇宙年齢でいうと4億歳の頃である。初代星が生まれたであろう、2億歳の頃にはまだ到達できていない。

　本当に初代星は2億歳の頃に生まれたのだろうか。最近、意外な形でその証拠が見つかった。それは可視光や赤外線の観測ではなく、電波による観測でもたらされた。

　初代星が生まれると、周辺の水素原子ガスに影響を与える。水素原子の励起状態を変えてしまうのである（水素原子は陽子と電子が1個ずつからできているが、電子がどのエネルギー状態にいるかで性質が変わる。初代星からエネルギーをもらうと水素原子はエネルギーの高い励起状態に遷移する）。

　水素原子は波長21センチメートルの電波を強く放射するが、その放射はビッグバンの名残である電波と相互作用する。したがって、初代星の影響で水素原子のエネルギー状態が変わるとマイクロ波の放射にも変化が出てくる。その兆候を捉えることに成功したのだ。

　その観測データから初代星が生まれたタイミングは宇宙年齢が1.8億歳であることが示された。理論的な予測（約2億歳）とよく合っているのだ。

　ところで、初代星が生まれた分子ガス雲を含むシステム（銀河の種）のサイズは、今の銀河の100分の1から1000分の1程度でしかない。

　そのあと、多数の銀河の種が合体してきた歴史がある。現在の宇宙年齢は138億歳。この長い時間をかけて、ようやく私たちの住むような巨大な銀河に育ってきたのである。

　ハッブル宇宙望遠鏡の後継機であるジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が2022年に稼働し始めた。すでに135億光年彼方の候補を発見した。今後の進展に期待したい。

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　以上、谷口義明氏の新刊『宇宙を動かしているものは何か』（光文社新書）をもとに再構成しました。約138億年前に生まれ、膨張を続けながら今日に至っている「宇宙」を動かしているエンジンについて、天文学者が迫ります。

●『宇宙を動かしているものは何か』詳細はこちら

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