2023 年 9 ⽉ 15 ⽇

報道関係者各位
国⽴⼤学法⼈筑波⼤学
学校法⼈早稲⽥⼤学
東海国⽴⼤学機構 名古屋⼤学
東京⼤学国際⾼等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡とアルマ望遠鏡の最強タッグで、最遠⽅の原始銀河団を捉えることに成功
⽇本の橋本拓也助教（筑波⼤学）とスペインの Javier Álvarez-Márquez 研究員（スペイン宇宙⽣物学センター）を中⼼とする国際研究チームは、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡とアルマ望遠鏡を使った観測により、最も遠い 131.4 億光年かなたにある原始銀河団の中でも、とくに銀河が密集している⼤都市圏に相当する「コア領域」を捉えることに成功しました。多くの銀河が狭い領域に集まることで、銀河の成⻑が急速に進んでいることが明らかになりました。
さらに研究チームはシミュレーションを活⽤して⼤都市圏の姿の将来予想をしたところ、数千万年以内には⼤都市圏が１つのより⼤きな銀河になることを明らかにしました。銀河の⽣まれと育ちに関わる重要な⼿がかりとなることが期待されます。

図 1 （左）ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡とアルマ望遠鏡で調べた原始銀河団 A2744ODz7p9の中でも銀河の密集した「⼤都市圏」の想像図。（右）「⼤都市圏」の未来予想図（数千万年後の姿）。Credit: 国⽴天⽂台

研究の背景星の集団である銀河の中で、個々の星がどのようにして⽣まれ、死に、その残骸からまた新しい星が⽣まれていくのか、そしてその集団としての銀河がどうやって成⻑していくのかを知ることは、宇宙における私たちのルーツを知ることでもあり、天⽂学の重要なテーマです。100 個以上もの銀河がお互いの重⼒で集まった集団は銀河団と呼ばれ、これは宇宙における最も⼤きな構造の⼀つです。地球に⽐較的近い銀河の観測から、銀河同⼠が密集した環境のほうが、個々の星の⽣死のサイクルが急速に進むことが知られており、これは「環境効果」と呼ばれています。しかし、宇宙の歴史において、この環境効果はいつごろから存在したのかは、よく分かっていませんでした。これを知るためには、宇宙が誕⽣して間もないころの銀河団の祖先を観測する必要があります。銀河団の祖先は原始銀河団と呼ばれ、10 個程度の、およそ 100 億光年以上かなたの銀河の集団です。幸い、天⽂学では、遠くの宇宙を観測することで、昔の宇宙の姿を観測することができます。例えば、130 億光年かなたの銀河からの光や電波は 130 億年の時間をかけて地球に届くので、今、私たちが観測するのは、130 億年前のその銀河の姿なのです。ただし、130 億光年もの距離を旅して届く光や電波はその間に弱まってしまうので、観測する望遠鏡には⾼い感度と空間分解能が求められます。
研究内容と成果
⽇本の橋本拓也助教（筑波⼤学）とスペインの Javier Álvarez-Márquez 研究員(スペイン宇宙⽣物学センター)を中⼼とする国際研究チームは、⾼い感度と空間分解能を持つジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST、可視光・⾚外線を観測)とアルマ望遠鏡（電波を観測）を⽤いて、原始銀河団 A2744z7p9OD の「コア領域」を調べました。原始銀河団 A2744z7p9OD は、欧⽶の研究グループによる JWST を⽤いた観測により、最も遠い 131.4 億光年[1]かなたの原始銀河団であること「しかし、この原始銀河団の中で最も銀河候補が多い『⼤都市圏』に当が発表されていました[2]。
たる『コア領域』を隈なく観測することはできておらず、銀河の環境効果が始まっているかどうかは不明でした。そこで私たちは、コア領域に注⽬した研究をすることにしたのです。」と研究をリードした橋本拓也助教（筑波⼤学）は語ります。
研究チームはまず、この原始銀河団のコア領域の JWST による観測に挑みました。可視光から近⾚外線までの波⻑をスペクトル観測する装置 NIRSpec の⾯分光モードを⽤いることで、視野内のすべての場所のスペクトルを同時に取得することができます。得られた⾯分光の解析⼿法を改良しながら、⾼い空間分解能でコア領域を調べました。その結果、天の川銀河の半径のさらに半分相当の 36,000 光年を⼀辺とする四⾓形領域の中で、電離した酸素イオンの光 ([OIII] 5008Å)を４つの銀河から検出することに成功しました（図 2 左）。この光の⾚⽅偏移（宇宙膨張により光源の銀河が遠ざかっていることによる波⻑の伸び）から、4 つの銀河の地球からの距離は 131.4 億光年と同定されました。JWST データの解析をリードした菅原悠⾺研究員（早稲⽥⼤学/国⽴天⽂台）は「共同研究者とともに苦⼼して解析したデータから、酸素イオンの光がほとんど同じ距離で 4 箇所も検出されたときは驚きました。コア領域の“銀河候補”は、確かに原始銀河団のメンバーだったのです。」と語ります。
さらに、研究チームは、この領域についてすでに取得されていた、アルマ望遠鏡による塵の出す電波の観測データに注⽬しました。解析の結果、4 つの銀河のうち 3 つから、塵の出す電波を検出しました (図 2 右)。これは、これほど過去の時代にある原始銀河団として、塵が検出された

初めての例です。銀河の中の塵は、銀河を構成している重い星々がその進化段階の終末期に引き起こす超新星爆発により供給され、それが新しい星の材料になると考えられています。このため、銀河に多量の塵があることは、銀河内の第 1 世代の星の多くがすでに⼀⽣を終えており、銀河の成⻑が進んでいることを⽰しています。研究チームの⽴ち上げ時から本研究に携わった LuisColina 教授（スペイン宇宙⽣物学センター）は、「同じ原始銀河団のうち、コア領域以外の密集していない銀河では、塵は検出されませんでした。これは、多くの銀河が狭い領域に集まることで銀河の成⻑が急速に進んでいることを⽰しており、138 億年前の宇宙誕⽣からわずか 7 億年余りの時代に環境効果が存在していたと考えられます。」と研究の意義を語ります。

図 2. 背景のカラー画像は JWST に搭載されたカメラで取得された、原始銀河団 A2744ODz7p9のコア領域の光の強度（⻘→緑→⻩→⾚の順に強くなる）のマップ。光が強い箇所に銀河の候補が存在することを⽰す。四⾓形領域の⼀⽚は、天の川銀河の半径のさらに半分程度の⼤きさに相当する。(左) 等⾼線は JWST に搭載された装置 NIRSpec で取得した電離酸素の放つ光の分布を表す。4 つの銀河が、131.4 億光年かなたに同定された。(右)等⾼線はアルマ望遠鏡で取得した塵の放つ電波の分布を表す。4 つの銀河のうちの 3 つから塵の放射が認められる。図中左下の⽩丸は、アルマ望遠鏡データのビームサイズを表す。
Credit: JWST (NASA, ESA, CSA), ALMA (ESO/NOAJ/NRAO), T. Hashimoto et al.
さらに、研究チームは、このコア領域に密集した 4 つ銀河が、どのように形成され、進化するのかを理論的に検証するため、銀河形成シミュレーションを⾏いました。その結果、観測された天体と同じく宇宙が誕⽣してから 6.8 億年のころに、図３(a)のようなガスの粒⼦が密集した領域が存在し、図３(b)のように拡⼤をすると狭い領域に密集した４つの銀河が形成されることが⽰されました。この 4 つの銀河の進化を追うために、シミュレーションでは、銀河を構成する星やガスの運動、化学反応、星の形成や爆発現象といった物理過程を計算しました。すると、数千万年という、宇宙の進化のタイムスケールとしては短い時間で合体し、より⼤きな銀河に進化することが⽰されました。
「今回の観測銀河の再現は、我々のシミュレーションが⾼い空間分解能と多数の銀河サンプルを有するからこそ可能でした。今後はコア領域の形成メカニズムやその⼒学的性質を詳細に探っていきたいです。」とシミュレーションデータの解析を⾏なった仲⾥佑利奈⼤学院⽣（東京⼤学）は語っています。

図 3. 銀河形成シミュレーションによる本天体の成⻑の予想。(a)宇宙年齢 6.89 億年における原始銀河団 A2744z7p9OD に似た領域のガスの密度の様⼦。(b)は(a)のコア領域の拡⼤図で、JWSTで観測された領域相当の領域。図の濃淡は、酸素イオンの光の分布を⽰す。(b)から(d)は、シミュレーション天体の進化の様⼦。4 つの銀河が次第に合体を繰り返して、より⼤きな天体へと進化する様⼦を表す。Credit: T. Hashimoto et al.
Javier Álvarez-Márquez 研究員 (スペイン宇宙⽣物学センター)は、「今後、原始銀河団
A2744z7p9OD について、アルマ望遠鏡でさらに⾼感度の観測を実施し、これまでの感度では⾒えなかった銀河が存在するかどうかを調べます。また、今回その威⼒が実証された JWST とアルマ望遠鏡のタッグによる観測をより多くの原始銀河団に適⽤し、銀河の成⻑メカニズムを明らかにしていくことで、宇宙における我々のルーツに迫ります。」と展望を語っています。

論⽂情報
この観測成果は、T. Hashimoto et al. ``Reionization and the ISM/Stellar Origins with JWST andALMA (RIOJA): The core of the highest redshift galaxy overdensity confirmed by NIRSpec/JWSTʼʼ
として天⽂学専⾨誌 The Astrophysical Journal Letters に 2023 年 8 ⽉ 30 ⽇付で受理され、今後掲載予定です。
研究成果は⽇本天⽂学会 2023 年秋季年会で 9 ⽉ 20 ⽇に発表予定です。
今回の研究を⾏なった研究チームのメンバーは、以下の通りです。
橋本 拓也（筑波⼤学）、Javier Álvarez-Márquez（スぺイン宇宙⽣物学センター）、札本 佳伸（千葉⼤学）、Luis Colina（スペイン宇宙⽣物学センター）、井上 昭雄（早稲⽥⼤学）、仲⾥佑利奈（東京⼤学）、Daniel Ceverino （マドリード⾃治⼤学）、吉⽥ 直紀（東京⼤学、KavliIPMU）、Luca Costantin（スペイン宇宙⽣物学センター）、菅原 悠⾺（早稲⽥⼤学、国⽴天⽂台）、Alejandro Crespo Gómez （スペイン宇宙⽣物学センター）、Carmen Blanco-Prieto （スペイン宇宙⽣物学センター）、⾺渡 健（筑波⼤学）、Santiago Arribas （スペイン宇宙⽣物学センター）、Rui Marques-Chaves （ジュネーヴ⼤学）、Miguel Pereira-Santaella（スペイン基礎物理学研究所）、Tom J.L.C. Bakx（チャルマース⼯科⼤学）、萩本 将都（名古屋⼤学）、橋ヶ⾕ 武志 （京都⼤学）、松尾 宏 （国⽴天⽂台、総合研究⼤学院⼤学）、⽥村 陽⼀（名古屋⼤学）、碓氷 光崇（筑波⼤学）、任 毅 （早稲⽥⼤学）

研究資⾦
この研究は、⽇本学術振興会科学研究費補助⾦(課題番号 20K14516、22H01257、22H04939、23H00131)、⽇本学術振興会卓越研究員事業(HJH02007)、ALMA 共同科学研究事業(2020-16B)、
the Spanish Ministry of Science and Innovation/State Agency of Research (PIB2021-127718NB100)、Program ``Garantía Juveníl” from the ``Comunidad de Madrid” 2021 (CM21 CAB M2 01)、
Co- munidad de Madrid under Atracción de Talento (2018-T2/TIC-11612)、the Ramón y Cajal
program of the Spanish Ministerio de Ciencia e Innovación (RYC2021-033094-I )の補助を受けて⾏われました。
アルマ望遠鏡（アタカマ⼤型ミリ波サブミリ波⼲渉計、Atacama Large Millimeter/submillimeter
Array: ALMA）は、欧州南天天⽂台（ESO）、⽶国国⽴科学財団（NSF）、⽇本の⾃然科学研究機
構（NINS）がチリ共和国と協⼒して運⽤する国際的な天⽂観測施設です。アルマ望遠鏡の建設・運⽤費は、ESO と、NSF およびその協⼒機関であるカナダ国家研究会議（NRC）および台湾国家科学及技術委員会（NSTC）、NINS およびその協⼒機関である台湾中央研究院（AS）と韓国天⽂宇宙科学研究院（KASI）によって分担されます。 アルマ望遠鏡の建設と運⽤は、ESO がその構成国を代表して、⽶国北東部⼤学連合（AUI）が管理する⽶国国⽴電波天⽂台が北⽶を代表して、⽇本の国⽴天⽂台が東アジアを代表して実施します。合同アルマ観測所（JAO）は、アルマ望遠鏡の建設、試験観測、運⽤の統⼀的な執⾏および管理を⾏なうことを⽬的とします。
[1] 今回の天体の⾚⽅偏移は、z = 7.88 でした。これをもとに最新の宇宙論パラメータ（H0 = 67.7km/s/Mpc, Ωm = 0.3111, ΩΛ =0.6899 ）で距離を計算すると、131.4 億光年になります。
[2] A2744z7p9OD は、欧⽶の研究グループを率いる森下貴弘研究員（カリフォルニア⼯科⼤学）らによって最初に距離が決定されました。

問い合わせ先【研究に関すること】
橋本拓也（はしもと筑波⼤学数理物質系たくや）

助教

URL: https://trios.tsukuba.ac.jp/researcher/0000004338【取材・報道に関すること】
筑波⼤学広報局
TEL: 029-853-2040
E-mail: kohositu@un.tsukuba.ac.jp
早稲⽥⼤学広報室広報課
TEL: 03-3202-5454
E-mail: koho@list.waseda.jp

東海国⽴⼤学機構 名古屋⼤学広報課
TEL：052-558-9735
E-mail：nu_research@t.mail.nagoya-u.ac.jp
東京⼤学国際⾼等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構
広報担当 ⼩森 真⾥奈
E-mail：press@ipmu.jp
TEL: 04-7136-5977