すばる望遠鏡とジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が連携、初期宇宙における光の脱出を測定
注目画像： [再電離期の初期銀河から脱出するライマンα放射の想像図；クレジット：NAOJ/NASA/ESA]
東京大学の清水俊太氏が率いる日本人天文学者チームは、マウナケアのすばる望遠鏡とジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）のデータを組み合わせ、再電離期におけるライマンα（Lyα）脱出率の初の直接測定に成功した。王立天文学会月報（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）にプレプリントとして提出されたこの結果は、宇宙が10億歳未満であった赤方偏移6.2において、電離光子の約10%が銀河から脱出していることを明らかにしている。
この測定が重要なのは、宇宙論における最も永続的な未解決問題の一つ,,宇宙の再電離、すなわち中性水素の霧が焼き払われ宇宙が光に対して透明になった時期を駆動したものは何か,,に取り組むからである。
巧妙なフィルターの工夫
チームはフィルター波長の稀有な一致を利用した。JWSTのNIRCam F470Nフィルター（中心波長4.7マイクロメートル）は、約6.2の赤方偏移にある銀河からのHα放射を捉える。すばる望遠鏡のHyper Suprime-Cam（HSC）NB872フィルター（中心波長872ナノメートル）は、まったく同じ赤方偏移からのLyα放射を捉える。この2つのフィルターは、天文学者が同じ銀河から同じ宇宙時代に両方の水素再結合線を測定できるユニークな狭帯域ペアを形成する。
これまでの高赤方偏移におけるLyα脱出率の測定は、間接的手法または小さなサンプルに依存していた。本研究では、JWST CEERS（Cosmic Evolution Early Release Science）フィールド内で84個のHα放射源（HAE）を特定し、そのうち56個がすばるNB872バンドで信頼できる測光値を示した。19個は2シグマ閾値を超えるLyα放射を示した。
完全性重み付けによるデータのスタッキングにより、中央脱出率0.106が得られ、非対称誤差はプラス0.066、マイナス0.044であった。言い換えれば、これらの銀河内部で生成されたLyα光子の約10個に1個が実際に銀河間空間へ脱出していることになる。
宇宙を電離したのは誰か？
再電離期（およそ赤方偏移10から6）は、最初の星々や銀河が宇宙全体の中性水素から電子を剥ぎ取るのに十分な紫外線を放出した時期である。長年にわたり、従来のモデルは、最も暗く低質量の銀河だけがこの遷移を駆動するのに十分な電離光子を単位恒星質量あたりに生産すると仮定していた。より明るい銀河は、そのLyα光子を塵やガスの豊富な星間物質内に閉じ込めると考えられていた。
清水らの結果はその描像に挑戦する。約10%の中央脱出率は類似の赤方偏移における他の最近の測定値と一致しているが、重要な発見は、これらの銀河が比較的明るいHα放射源であり、超暗い矮小銀河ではないことである。
「Lyα脱出がライマン連続光の漏洩を示すならば、」と著者らは記している。「これは、最も暗い銀河だけでなく、比較的明るいHAEも再電離期の電離光子収支に重要な寄与を提供できる可能性を示唆している。」
脱出を制御するものは何か？
この研究は、なぜ一部の銀河がLyα光子を放出し、他の銀河が閉じ込めるのかについても解明している。チームは、脱出率がLyα等価幅と正の相関を示し、紫外連続光の傾き（β）および静止系紫外サイズと負の相関を示すことを発見した。急峻な紫外傾きを持つコンパクトで青色の銀河は、より多くのLyαを漏洩させる。重要なことに、全球的な塵の消光パラメータE(B-V)または静止系光学サイズとの有意な相関は見られなかった。
これらの結果は、銀河間のLyα脱出の変動が、銀河の全体的な塵の含有量ではなく、紫外で可視的なコンパクトで低減衰の星形成成分によって駆動されることを示唆している。塵の少ない小さな激しい星形成領域は、より大きく塵の多い銀河の内部でも、Lyα光子のための明確な経路を開けることができる。
再電離への新たな窓
本研究で開拓された二重狭帯域技術は、再電離期のための新たな観測チャネルを開く。JWSTがそのサーベイプログラムを継続し、すばるのHSCが深撮像を収集し続けるにつれて、HαとLyαの両方の測定値を有するHAEのサンプルは増加し、脱出率とその銀河特性への依存性の制約を強化するだろう。
本論文（arXiv:2607.08264）はMNRASに投稿されており、東京大学、京都大学、早稲田大学、国立天文台（NAOJ）を含む日本の研究機関から18名の著者を挙げている。
雅子 訳