JWST、宇宙論に挑戦する宇宙の正午の古代銀河団を発見
注目画像: XLSSC 122のJWST NIRCam画像。最も明るい銀河団銀河の周囲に重力レンズ効果による弧を描いている。[クレジット: Finner et al. / NASA / ESA / CSA]
ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が、宇宙がちょうど中年期を迎え始めた時代に存在する、既知で最も古い銀河団の一つを観測し、その発見は天文学者たちに宇宙における構造形成の再考を迫っている。XLSSC 122と名付けられたこの銀河団は赤方偏移1.98に位置し、その光は約104億年かけて地球に届いている。私たちが今日見る光がこの巨大な銀河の集まりを出発したとき、宇宙はわずか34億歳だった。
The Astrophysical Journal Lettersに掲載された3つの関連論文で発表され、6月17日のアメリカ天文学会第248回会合で報告されたこれらの発見は、標準的な宇宙論モデルの予測よりもはるかに成熟し、中心部に集中した銀河団を明らかにしている。背景銀河の強重力レンズ効果によって測定された、100キロパーセク内部の中心暗黒物質濃度は非常に高く、ほぼすべての主要な質量-濃度関係から3〜8標準偏差の有意差で逸脱している。
「最初の画像を見たとき、私たちは衝撃を受けました」と、強レンズ論文の主著者であるIPAC/カリフォルニア工科大学のカイル・フィナー氏は語る。「『わあ、これを見てくれ、この銀河団から強いレンズ効果が出ている！』と言いました。そしてすぐに、モデルが簡単には説明できないものを見ていることが明らかになりました。」
若い宇宙における成熟した構造
XLSSC 122は2014年にESAのXMM-ニュートンX線観測所によってXMM-ニュートン大規模構造サーベイの一環として初めて発見された。しかし、その真の姿を明らかにしたのはJWSTの赤外線感度と高解像度だった。2024年8月10日、JWSTのNIRCam装置は4つのフィルターを通してこの銀河団を観測し、29-30AB等級の5シグマ深度に達し、宇宙塵を透過して銀河団の複雑な構造を解像した。
現れたのは、強重力レンズ効果を示す既知で最も遠方の銀河団であり、4つの巨大な円弧システムが最も明るい銀河団銀河を取り巻き、赤方偏移1.75のIDCS J1426.5+3508が保持していた以前の記録を破った。
「XLSSC 122がX線データから存在することは既に知っていましたが、これほど大質量で集中しているとは知りませんでした」とフィナー氏は述べる。「JWSTが新しい窓を開きました。ウェッブ以前は、初期の遠方宇宙でこのレベルの科学を行うことはできませんでした。」
銀河団の暗黒物質ハローのNFW集中パラメータは、内部100キロパーセク内でc = 6.3 ± 0.5と測定された。5つの標準的な質量-濃度関係と比較して、Prada et al. 2012の一つだけがより高い値を予測している。他は2.8から8.2標準偏差の範囲で濃度を過小評価している。
暗黒物質との関連
強重力レンズ効果は暗黒物質を測定するための最も強力なツールの一つである。背景銀河の光の歪みが、目に見えない暗黒物質成分を含む総質量分布を tracing するからだ。
「強レンズ効果は、暗黒物質を実際に見ることなく測定する方法です」とフィナー氏は説明する。「それは私たちの宇宙論モデルの敏感な探針を提供してくれます。」
JWSTの観測は、3つの独立した方法で銀河団を調査した：背景銀河の強重力レンズ効果によるコア質量分布の測定；より遠方の銀河の弱重力レンズ効果による外部ハローの追跡；そして、個々の銀河に束縛されていない自由浮遊星である銀河団内光の検出であり、その形状が暗黒物質分布を tracing する。
Hyungjin Jooが主導した関連論文で報告された銀河団内光の検出は、これまでで最も初期の検出である。これは銀河団が活発に合体を進行中であることを示しており、弱レンズ解析とX線・電波データによって独立に確認され、状況にさらなる複雑さを加えている。
単なる銀河団ではなく、基礎物理学の試金石
この発見は銀河団天体物理学を超えた意味を持つ。JWSTが同様に成熟した銀河団を初期の時代に発見し続ければ、大規模構造が宇宙時間をかけてゆっくりと集積するという標準的なΛCDM階層的構造形成モデルに大幅な修正が必要となるかもしれない。
一つの可能性は、XLSSC 122が異常に早い崩壊で形成されたというもので、その静止銀河集団ですでに観測されている加速されたサイズ進化と一致する。別の可能性は、高密度環境における暗黒物質の振る舞いに関する理解が不完全であることだ。データによって除外されていない第三の選択肢は、非標準的な宇宙論が働いているというものである。
「まだJWST時代の初期です」とフィナー氏は語る。「宇宙のこの段階にある数十から数百のこの種の天体のデータを取得し始めることができれば、私たちの宇宙論モデルを本当にテストし始めることができるでしょう。」
3つの関連論文はThe Astrophysical Journal Lettersに掲載されている。JWSTのイメージングデータはZenodoで公開されている。
雅子 訳