初期宇宙には問題があった。ほぼ完全に水素とヘリウムで構成された最初の世代の星々は、核融合によってより重い元素を生成した。それらの星が超新星として爆発すると、周囲のガスに金属、炭素、酸素、ケイ素をまき散らし、やがて惑星や新しい星へと集積していった。しかし、爆発から次の世代の星形成までの間に、重要なプロセスが起きなければならなかった。金属が集まって塵の粒を形成することである。
塵は銀河の進化において不可欠な要素である。塵はガス雲を冷却し、分子形成を可能にし、惑星系の原材料を提供する。塵がなければ星形成は非効率になり、惑星も形成されない。しかし、最初の宇宙の塵工場がどのように機能したのかを研究するのは困難だった。なぜなら、それを生み出した銀河は遠すぎて、詳細な観測には暗すぎるからである。
JWSTは、より地球に近い銀河を観察することで解決策を見つけた。
初期宇宙の代理観測
セクスタンスAは、地球から460万光年離れた、局部銀河群の端に位置する矮小銀河である。その化学組成は近隣の銀河としては珍しく、太陽に含まれる重元素のわずか1〜7％しか含んでいない。これは、重元素が乏しかった初期宇宙に存在した金属欠乏銀河の優れた類似体となっている。
イタリア国立天体物理学研究所（INAF）のClaudio Gavettiが率いるチームは、JWSTのNIRCamとMIRI装置を使用して、セクスタンスAの全恒星集団をマッピングした。彼らは漸近赤色巨星分枝（AGB）期にある星を探していた。これは、太陽より大きな星が中心核のヘリウムを使い果たし、外側に膨張して千倍も明るくなる恒星進化の後期段階である。この期間中、AGB星は大量の塵を生成し放出することが知られている。
調査の結果、セクスタンスAのAGB星の約90％には検出可能な塵のエンベロープがないことが判明した。しかし、約20個の星は厚い塵の殻に包まれており、約20〜30億年前に太陽質量の約1.5倍の初期質量を持つ星から形成されたものである。
実際の塵生産者の特定
この発見は、初期宇宙でどの星が宇宙を豊かにする責任を負っていたのかを絞り込むものだ。従来の見解ではAGB星が主要な塵工場であると考えられていたが、JWSTのデータは、特定のサブセット、すなわち狭い質量範囲の中間質量星のみが、その後の星形成の種となる厚い塵の殻を生成することを示している。
同じくINAFのFlavia Dell’Agli氏は、このデータによってチームは観測結果を恒星進化の理論モデルと直接比較できるようになったと述べた。「これらのデータの価値は画像にあるだけでなく、理論モデルと比較し、それらが星の進化をどの程度正確に記述しているかを検証できる点にあります」と彼女は語った。
アストロフィジカル・ジャーナルに掲載されたこの研究は、遠方の銀河を直接観測することなく初期宇宙を研究する方法を示している。適切な局所的な類似体を見つけることで、JWSTは個々の星とその塵の出力を分解することができる。これは、何十億光年も離れた銀河では不可能な詳細レベルである。
雅子 訳