【2019年5月31日 カブリIPMU/マサチューセッツ工科大学】

138億年前のビッグバンで誕生した直後の宇宙には、水素とヘリウムとごくわずかな量のリチウムしか存在しなかった。これらの元素から初期宇宙で最初に恒星が生まれたのはビッグバンの数億年後と考えられており、その星々は「第一世代星」や「初代星(first star)」と呼ばれていている。

水素とヘリウムしか含まない原始ガス雲は光を出して冷えることがあまりできないため、重力が圧力に打ち勝って収縮し、星になるためには、ガス雲の質量が大きい必要がある。そのため、初代星は太陽質量の100倍くらいの非常に重い星が多く、わずか1000万年程度で超新星爆発を起こしたと考えられている。リチウムより重い全ての元素(重元素)は、こうした初代星の内部で最初に合成され、超新星爆発でまき散らされた。その残骸のガスから第二世代の星が作られ、それが爆発して星間ガスに還る、という過程が繰り返されたことで、宇宙の中で重元素が次第に増えていった。

初代星は初期宇宙の進化を理解する上で非常に重要な天体だが、確実に初代星だといえる天体は観測ではまだ見つかっておらず、初代星の超新星爆発がどのような現象だったかもよくわかっていない。ただし、鉄の量が極めて少ない星はいくつか見つかっていて、それらのうちのいくつかは、初代星の残骸から生まれた「第二世代」目の恒星だと考えられている。2005年にうみへび座の方向約5000光年の距離で見つかった恒星「HE 1327-2326」もそんな第二世代星の一つだ。

米・マサチューセッツ工科大学のRana Ezzeddineさんたちの研究チームは、2016年5〜7月にハッブル宇宙望遠鏡の紫外線分光装置「Cosmic Origins Spectrograph」でHE 1327-2326を観測した。スペクトルから様々な重元素の存在量を求めたところ、この星に含まれる亜鉛の量が太陽での値に比べて6倍以上も多いことを発見した。

重元素が欠乏している星々とHE1327-2326に含まれる亜鉛と鉄の存在量の比の比較図、観測された元素の存在量のパターンと理論的な存在量のパターンの比較
(上)重元素が少ない星での鉄と亜鉛の存在量を示したグラフ。横軸が水素に対する鉄の含有率で、左に行くほど鉄が少ない。縦軸は鉄に対する亜鉛の含有率で、上に行くほど亜鉛が多い。HE 1327-2326(青い星印)は鉄が極端に少なく、亜鉛を多く含んでいる。(下)HE 1327-2326で観測された各元素の存在量(赤丸)と、超新星爆発シミュレーションで生成された元素の存在量(実線)を比べたもの。質量が25太陽質量でジェットを噴き出すという超新星爆発モデル(黒の実線)の場合に、炭素や亜鉛の量を最もよく再現できた(提供:N. Tominaga et al. 以下同)

そこでEzzeddineさんたちは、超新星爆発や第二世代星形成のシミュレーションを専門とする東京大学カブリ数物連携宇宙研究機構の研究グループと共同研究を行うことにした。東大チームでは、初代星がどのような超新星爆発を起こせば亜鉛の多い第二世代星が生まれるかを、条件を様々に変えた1万回以上もの爆発シミュレーションで調べた。

計算の結果、初代星が単純な球対称の爆発をした場合には、多量の亜鉛はまき散らされないことがわかった。初代星のような極めて質量の大きな星が超新星爆発を起こすとブラックホールができるため、初代星で合成された重元素の大半はブラックホールに吸い込まれてしまい、外に出てこないのだ。一方、初代星がジェットを吹き出すような球対称でない超新星爆発を起こすと、たくさんの重元素がジェットによって中心核から運ばれ、外に放出されることが明らかになった。

初代星が超新星爆発を起こした50秒後のシミュレーション画像
初代星の超新星爆発をシミュレーションした画像。爆発の50秒後の様子を表していて、上下に吹き出すジェットの中に見える緑色の点に亜鉛が豊富に含まれている

研究チームでは、初代星の超新星爆発はこれまで考えられていたより5〜10倍もエネルギーが大きく、ジェットによって隣の銀河にまで重元素がまき散らされるほどのものだったと推定している。「初代星の超新星爆発が小規模だったというこれまでの考え方は、いずれ時代遅れになるかもしれません」(Ezzeddineさん)。

今回の研究成果は、「宇宙の再電離」という現象を理解する上でも大きな影響を与えるかもしれない。宇宙の再電離とは、ビッグバンで宇宙に電子と陽子が生まれ、両者が結びついて中性の水素原子ができた「宇宙の晴れ上がり」の後、宇宙誕生から2億年後から9億年後の時代に何らかの原因で銀河間物質が再び電離した現象だ。再電離は初代星が放射する紫外線や超新星爆発のエネルギーによって引き起こされたと考えられているが、詳細はこちらも謎のままだ。

「これまでの観測から、初代星が放つ紫外線はそれほど強くなく、初代星の超新星爆発も宇宙の再電離にはあまり寄与しなかったという考え方もありました。現在の私たちはある意味でこの描像を修正しているところです。今や、初代星の超新星爆発は再電離を引き起こし、周辺の矮小銀河にも影響を及ぼした有力な候補だと言えます」(マサチューセッツ工科大学 Anna Frebelさん)。

初代星の強力な超新星爆発は、まだ星が誕生していなかった周辺の原始銀河雲に重元素を供給した役割も果たしたかもしれない。

「水素とヘリウムしか含まない原始ガスに重元素が混ざると、星形成はずっと簡単に起こるようになり、特に質量の小さい星が生まれやすくなります。第二世代目の星は、初代星と同じ原始銀河の中で生まれたのではなく、むしろ初代星の爆発によって重元素で『汚染』された周囲の原始銀河雲の中で誕生したのかもしれません。今回の成果は宇宙初期の星形成の新たなルートを拓くものでもあるのです」(Frebelさん)。