ファースト・スター：宇宙の一番星の誕生
謎の「暗黒時代」に育った星と光を初めて再現
吉 田 直紀（東 京 大 学 数 物 連 携 宇宙 研究 機 構 ）宇宙の年齢は現在１３７億歳であると考えられている．星や銀河が光輝く美しい宇宙の姿になるにはそれほどの長い年月が必要だったようだ．広い宇宙の中では人間はほんのちっぽけな存在にすぎないので，これまでの宇宙の進化のほとんどを知らないとしてもとくに不思議ではないだろう．しかし，実際には，われわれ人類は宇宙進化史の多くの部分を解明してきたと言ってよい．
現在では，ハワイにあるすばる望遠鏡やハッブル宇宙望遠鏡を用いることで，宇宙が生まれてから 8 億年ほど経った時期に存在した銀河からの光を検出し，当時の宇宙の様子をうかがい知ることができる．また，全天から来るマイクロ波背景放射を観測することで，宇宙が３８万歳だった頃の姿もほぼ直接知ることができる．残った最大の謎はちょうどこの間，誕生してから数億年の頃までにある．この時期は宇宙の「暗黒時代」と呼ばれ，これまでどのような波長でも観測がなされていない．つまり，この時代を伝える「光」をわれわれはまだ捉えることができておらず，その様子を知ることができないでいるのである．
最初の数億年の間，星や銀河などが生まれる前の宇宙には，ガスと暗黒物質が薄く漂い，それにビッグバンの名残である弱い電磁波が飛び交うだけで，文字通り暗黒の宇宙だったと考えられる．
暗黒宇宙に光を灯したのは，宇宙に生まれた最初の星──ファースト・スター──である．ファースト・スターの誕生により暗黒宇宙は終焉し，やがて光輝く銀河宇宙へと変貌をとげていく．以下ではわれわれが最近行った大規模コンピューター・シミュレーションの結果を交えながら，暗黒時代の謎に迫りたい．
人を形作る元素の由来とはファースト・スター形成は，究極的にはわれわれの起源につながる重要な事柄である．それは次のような事実から考察できる．星や銀河などがまだ存在しない初期宇宙には，元素としては水素やヘリウムなどの軽いものしか合成されていなかった．ところが，普段われわれが目にするものは，これらの軽い元素．．
以外のものを大量に含んでいる．たとえば人体は元素レベルで考えれば主に酸素，炭素，窒素などから成り，重さの割合で考えると，一酸化炭素分子とそれほど違いはない．（なのに一酸化炭素ガスが人体に有毒なのは不思議な気がする．）また，地球は主に鉄やケイ素，マグネシウムなどから成り，水素やヘリウムといった宇宙初期から豊富にあるはずの軽元素はむしろマイナーな構成要
素でしかない．炭素や鉄などの重元素はいつ，宇宙のどこで合成されたのだろうか．
重元素合成を効率よくおこすことができる場所，それは星である．太陽のよ
うに自ら光輝く星（恒星）はその中心部で核融合反応をおこして軽元素から重元素を合成し，その際に発生するエネルギーによって自重を支えている．重元素は星の中で合成され，超新星爆発などの際に宇宙空間へ放出される．そしてそれらの重元素を含む星間ガスからまた新しい星が生まれる，というサイクルを繰り返して，地球や人体を構成する元素ができてきたのだ．「われら星の子」といわれる所以である．
“伝説”の時代を第一原理的に再現する
さて，ものには何でも「始まり」がある．宇宙暗黒の時代，水素とヘリウムだけから成る始原ガスが集積し，やがてファースト・スターが生まれ，進化の後に超新星爆発をおこして最初の重元素を宇宙にばらまく．ここから“すべて”が──銀河形成，惑星形成，そして最終的には生命の誕生が──始まる．ファースト・スターはいわば伝説の英雄のような存在だ．かつてどこかに間違いなく存在したはずだが，まだどのような観測によっても見つけられてはいない．
はるか昔に姿を消してしまったのか，宇宙でまだ観測されていない場所に隠れているのかもしれない．
将来の観測による発見が待ち望まれるが，ファースト・スターの正体に迫るには，理論的研究がとりわけ有効である．それは次のような理由による．（１）
近年の宇宙マイクロ波背景放射の観測から，初期宇宙の状態が詳しくわかり，宇宙の構成要素や宇宙膨張の歴史がはっきりと定まった．理論のよりどころとなる標準宇宙モデルが定まったと言える．（２）宇宙初期の星形成に関わる物
理過程は重力，気体力学，化学反応など数多いものの，それらはいずれも既知

の物理であり，基本的には実験室で確かめられたものばかりである．つまり，極言するならば，ファースト・スターの形成は，現代物理学を結集すれば解けるはずの問題なのだ．
われわれの研究グループは，この問題にスーパーコンピューター・シミュレーションを使って挑んだ．関連する基礎物理過程をすべて第一原理的に取り入れるという，手間はかかるが確かな結果を得ることができる方法を採った．従来の星形成や銀河形成のコンピューター・シミュレーションでは，星間ガスがどう変化するかについて，いくつかの仮定をおき，簡潔な数式として与えていた．いわば進化の道筋を入力していたことになる．われわれの計算では逆に，やがて星となるガスの進化は計算の結果（出力）である．水素-ヘリウムガス中におこる化学反応や放射輸送過程をすべて考慮し，次にどのような密度，温度になるのかを逐一計算した．
シミュレーション領域内の解像度についても，ついに物理的要請を満たすレベルに達したと言うことができる．天体形成の問題で最も重要な物理量は「ジーンズ質量」と呼ばれる，ガスの圧力と自己重力の拮抗によって定まる最小の質量である．われわれのシミュレーションでは，差し渡し１０万光年という大領域を設定しつつも（図１），その中で個々の星形成ガス雲を，そのジーンズ質量以下まで解像することに成功した．映像の画質にたとえると，１０兆ピクセルに相当する．シミュレーションの解像度依存性という長年の問題はもはや．．．．
物理的になくなったのだ．
われわれのシミュレーションはいわば「初期宇宙の実験」である．特別に意
図して「星をつくるシミュレーション」を行ったのではない．初期宇宙の状態を忠実に再現し（脚註統計的なリアライゼーション[仮想空間]を作るのであり，現実の宇宙をそっくりつくりあげるわけではない），そこで「何がおこる．．．．．．．．．
か」を確かめたのである．そして，計算機上の初期宇宙に星が自然にできるの．．．．．
を観察した，ということになる（図２）．
そもそも，「宇宙で最初にできる天体は何か」ということは，天文学の長年の謎だった．宇宙初期には惑星のような小さな天体ができるのか，巨大なブラックホールができ始めるのか．われわれが今回行った大規模コンピューター・シミュレーションからは，個々の星が誕生すると結論づけられる．一つの問題に終止符が打たれたと言ってよいだろう．

一番星は小さく生まれ大きく明るく育つ
得られた結果は次のようにまとめられる．まず，ファースト・スターが誕生したのは宇宙創成から３億年ほど経った頃である．われわれの計算では宇宙の平均的な場所を仮定したが，場所によって多少の差があるため，宇宙の一番星が光り出したのは１億~３億年の頃というのが妥当であろう．いずれにせよ１３７億年の宇宙の進化史のかなり早い段階であることになる．次に，原始星（生まれたばかりの星）の質量は太陽の１００分の１程度であった．中心温度は絶対温度１万度を超え，また密度は１cm3 あたり 0.001g 程度，ちょうど空気と水の密度の間くらいに相当する．まわりには大量の温かいガスが存在し，それらが中心にむかって落ち込んでいくため，この小さな星の種はすぐに成長し，巨大な星になると考えられる．実際に３次元シミュレーションから得られたガスの降着率を用いて，原始星進化の詳細な理論計算をおこなったところ，最終的には質量がおよそ太陽の１００倍以上にもなることがわかった．どうやら初期宇宙の星は小さく生まれて大きく育つようだ．質量が太陽の１００倍というのは明るさでは太陽の百万倍以上にもなる．宇宙がまだ数億歳という若さの時に，このようなとても明るいファースト・スターが闇を照らし出し，暗黒時代に終わりを告げたのだろう．
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さて，この理論は一体どうすれば確かめられるのだろうか．ファースト・ス
ターの探索は２１世紀の天文学の最重要事項の一つであり，この先１０年で大きな進展が期待される．アメリカの次世代宇宙望遠鏡 JWST は，宇宙最初の数億年からの光を捉えることを主要な目標に掲げている．打ち上げは２０１３年の予定である．天の川銀河の中にファースト・スターあるいはその痕跡を探す観測プロジェクトも進行している．３年前にはすばる望遠鏡を用いた観測で，鉄の量が太陽の１０万分の１以下という，重元素量がきわめて少ない星も発見された．意外にも近くにファースト・スターの生き残りが存在するのかもしれな
い．この先数年の内にも期待されるファースト・スター発見は，天文学の一大ニュースになるのみならず，われわれが自分自身の起源についても思いを馳せるような出来事となるだろう．

図１ コンピューター・シミュレーションで再現された宇宙年齢３億年の頃の物質分布．
色の濃い部分にガスが集まって密度が高くなっており，網目状構造の節点にあたる部分に「星のゆりかご」ができはじめている．

図２ ファースト・スター周辺のガス分布．左から右に中心部分をクローズアップ．このシミュレーシ
ョンは，差し渡し１０万光年という大きな宇宙空間の中で，太陽半径程度の微細な構造までも解像している．１天文単位とは地球と太陽との距離で定められ，およそ１億 5000 万 km．左から順に巨大な暗黒物質の塊（ダークマターハロー），その中央にできた分子ガス雲，その高密度中心部，そして一番右のパネルの赤い部分が生まれたばかりの原始星で，その質量はまだ太陽の１００分の１でしかない．