2023 年 7 ⽉ 14 ⽇
報道関係者各位
⾃然科学研究機構 国⽴天⽂台
東海国⽴⼤学機構 名古屋⼤学
国⽴⼤学法⼈ 筑波⼤学

宇宙最初の暗⿊星雲に⾒る星々の⽣と死
⽥村陽⼀・名古屋⼤学⼤学院理学研究科教授、橋本拓也・筑波⼤学数理物質系助教らの国際研究チー
ムは、アルマ望遠鏡を⽤いて宇宙誕⽣後６億年の時代の若い銀河をこれまでにない⾼い解像度で捉えることに成功しました。アルマ望遠鏡がとらえた塵と酸素の電波画像からは、暗⿊星雲と散光星雲が互いに⼊り混じり、また活発な星々の誕⽣と超新星爆発の衝撃波によってつくられた巨⼤な空洞「スーパーバブル」と⾒られる構造があることがわかりました。宇宙初期の天体において星々の⽣と死に関わる星雲の姿がこれほど精細に捉えられた例はなく、銀河の誕⽣に関わる重要な⼿がかりが得られると期待されます。

研究の背景
138 億年前の宇宙誕⽣から間もないころに星や銀河がどのように形成されたのかを知るためには、遠⽅銀河の観測が重要です。例えば、130 億光年彼⽅にある天体が放った光や電波は 130 億年の時間をかけて地球に届くので、それを観測することは 130 億年前のその天体の姿を⾒ていることになります。
研究チームは 2012 年にアルマ望遠鏡による超遠⽅銀河の探査に乗り出し、その後 2016 年に、当時としては史上最遠⽅の酸素が放つ電波を検出したという世界記録に結びつきました。その後も記録を更新し、2018 年に 132.8 億光年彼⽅の酸素が放つ電波を検出し、当時史上最遠⽅の銀河の同定に成功しました。さらに、2019 年に 132 億光年彼⽅の別の銀河 MACS0416_Y1 から、酸素の放つ電波に加え、塵が放つ電波を検出することに成功しました。塵は星が⼀⽣を終える際に周囲に撒き散らされる残骸に由来します。星々の⽣と死がまだあまり繰り返されていない早期宇宙に塵が存在することは、驚くべき発⾒でした。
冷たい塵やガスからなる雲は、塵が星の光を遮るために⿊く⾒えることから、暗⿊星雲と呼ばれます。
星の残骸の集積体である暗⿊星雲は、新たな星が⽣まれる⺟体であることが知られています。従って、暗⿊星雲内部の詳細観測が、銀河の中で星がどのようにして⽣まれては死に、次の世代の星の誕⽣へつながっていくかを知る上で重要です。暗⿊星雲の中で巨⼤な星が⽣まれると、⽣まれたての星は⾼温であるために周りのガスの電⼦を剥ぎ取ってイオン化します。こうしたイオン化したガスからなる星雲を散光星雲と⾔います。2019 年に遠⽅銀河 MACS0416_Y1 に⾒つかった塵と酸素はそれぞれ、暗⿊星雲と散光星雲から放射されていると考えられます。すなわち、塵と酸素の分布を詳細に観測できれば、銀河の中の暗⿊星雲で星がどのように⽣まれ、散光星雲ができるかを知る⼿がかりになります。

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研究内容と成果
そこで、研究チームは今回、MACS0416_Y1 の⾼解像度観測を試みました。アルマ望遠鏡のアンテナを直径 3.4 キロメートルの望遠鏡に相当する解像度が得られるように配置し、28 時間に及ぶ⻑時間の観測を⾏い、遠⽅銀河としてはこれまでとこれまでよりはるかに⾼い解像度と⾼い感度の観測画像を得ることに成功しました。それにより、塵の出す電波と酸素の出す電波の出所が別の場所であると⾒分けることができました。2019 年の観測で得られた画像は解像度が⼗分でなく、塵と酸素、すなわち暗⿊星雲と散光星雲の区別ができませんでした。今回得られた画像を⾒ると、散光星雲と暗⿊星雲がお互いを避けあうように⼊り組んで分布していることがわかります。これはちょうど、⼭あいの平地をぬって集落や畑が広がっていくように、暗⿊星雲の内部で誕⽣した星々が周りのガスをイオン化し、散光星雲に変えている様⼦を⾒ているものと考えられます。

図： ⼈類史上最遠⽅の暗⿊星雲をもつ 132 億光年彼⽅の銀河 MACS0416_Y1 の画像。画像は⼀辺およそ 1 万 5 千光年。
（左）アルマ望遠鏡がとらえた暗⿊星雲（塵が放つ電波）と散光星雲（酸素が放つ電波）、およびハッブル宇宙望遠鏡の星々の画像。Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Y. Tamura et al., NASA/ESA Hubble
Space Telescope（右) 暗⿊星雲がもつ塵が放つ電波をとらえたアルマ望遠鏡の画像。中央部に縦⽅向に伸びた楕円形の空洞「スーパーバブル」が⾒える。Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Y. Tamura et al.
また、⾚⾊で⽰す塵の分布だけを⾒ると、画像中央の位置に直径およそ 1000 光年に及ぶ巨⼤な空洞があいている様⼦が⾒えます。これまでの研究から、MACS0416_Y1 は過去数百万年にわたって天の川銀河のおよそ 100 倍にも及ぶスピードで星を⽣み出していることがわかっていました。これらの星々は巨⼤な集団（星団）として⽣まれ、短命のうちに次々に超新星爆発を起こして死を迎え、その衝撃で巨⼤な空洞「スーパーバブル」をつくっている可能性がありました。今回⾒つかった空洞は、まさにこのスーパーバブルである可能性があります。この巨⼤なバブルはやがて破裂し、銀河内部の星間空間や銀河の外の広⼤な空間に星々の残骸（さまざまな元素や塵）を含むガスを撒き散らすと予想されます。こうした元素や塵は、ふたたび暗⿊星雲に取り込まれて次世代の恒星や惑星の材料となるだけでなく、銀河や銀河団の化学組成を変容させていく、いわば「宇宙の物質循環」を⽣み出す原動⼒となると考えられます。
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さらに、今回の観測で、星雲を構成するガスの運動を知ることもできました。
「ガスは、時速 20 万キロメートルもの乱気流となっていました。このような乱気流のもとでは、星々は巨⼤星団となって誕⽣する可能性が指摘されています。このような巨⼤星団は形成期の銀河に⾒られる特徴であり、今後ジェーム
ズウェッブ宇宙望遠鏡や、国⽴天⽂台他が国際協⼒で建設を計画している⼝径 30 メートルの光学⾚外線望遠鏡 TMT（Thirty Meter Telescope）により、形成される星団⾃体の⾼解像度観測を⾏うことで、より詳細な情報が得られると期待されます。
」と、名古屋⼤学⼤学院理学研究科の⽥村陽⼀教授は語ります。
また、⾼解像度と⾼感度を同時に実現したアルマ望遠鏡の性能が、今回の成果を初めて可能にしました。⼀般に、同じ観測時間で解像度を上げると、感度は犠牲になります。今回ターゲットとした天体は132 億光年彼⽅の⾮常に暗い天体なので、⾼い感度が必要です。筑波⼤学数理物質系の橋本拓也助教は、今回の観測性能を「東京から⾒た富⼠⼭の⼭頂にいる、3 センチメートル離れた２匹のホタルの放つ光のさらに 50 分の 1 という⾮常に弱い光をとらえ、かつその 2 匹のホタルを区別できるほどの⾼い感度と解像度に対応します。
」と表現し、「本研究の成果は、アルマ望遠鏡の究極の性能を引き出すことで、宇宙早期の銀河の成り⽴ちや星々の⽣死、そして宇宙の物質循環の理解につながった意義深いものです。
」と述べています。
＊ アルマ望遠鏡（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array: ALMA、アタカマ⼤型ミリ波サブミリ波⼲渉計）
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。
研究資⾦
本研究は、⽇本学術振興会科学研究費補助⾦（17H06130, 19H01931, 20H01951, 20H05861, 20K22358,21H01128, 21H04496, 22J21948, 22H01258, 22H04939）、および⾃然科学研究機構国⽴天⽂台 ALMA 共同科学研究事業（2018-09B, 2020-16B）、⽂部科学省卓越研究員事業（HJH02007）の⽀援のもとで⾏われました。
掲載論⽂【題 名】 The 300 parsec resolution imaging of a z = 8.31 galaxy: Turbulent ionized gas and potential
stellar feedback 600 million years after the Big Bang【著者名】 Yoichi Tamura et al.
【掲載誌】 The Astrophysical Journal【掲載⽇】 2023 年 7 ⽉ 13 ⽇
【DOI】

10.3847/1538-4357/acd637

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問合わせ先【研究に関すること】
東海国⽴⼤学機構 名古屋⼤学⼤学院理学研究科 物理学教室
教授 ⽥村 陽⼀（たむら よういち）
TEL: 052-789-2846

mobile: 090-7251-6966

E-mail: ytamura@nagoya-u.jp【取材・報道に関すること】
井上直⼦（いのうえ なおこ） 国⽴天⽂台 アルマプロジェクト 特任専⾨員
電話：0422-34-3630（居室）
メール：naoko.inoue@nao.ac.jp
東海国⽴⼤学機構 名古屋⼤学広報課
電話：052-789-3058

FAX：052-788-6272

メール：nu_research@t.mail.nagoya-u.ac.jp
筑波⼤学 広報局
電話：029-853-2040
メール：kohositu@un.tsukuba.ac.jp

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