インド初の天文衛星が銀河からの紫外線を検出

【2020年8月31日 早稲田大学／インド宇宙研究機関】

宇宙は138億年前にビッグバンで誕生し、その約3分後には水素やヘリウムの原子核が作られ始め、約40万年後には原子核に電子がとらえられて電気的に中性の原子が生まれた。この時代の物質は中性原子ガスの雲の状態になっていて、可視光線や紫外線などの光を放つ恒星や銀河はまだ存在しなかった。この時代を宇宙の「暗黒時代」と呼んでいる。

ビッグバンから2～3億年が経つと最初の恒星や銀河が誕生して暗黒時代は終わり、これらの天体が放射する紫外線によって中性水素は再び原子核（陽子）と電子に電離された（これを「宇宙の再電離」と呼ぶ）。現在の宇宙の銀河間ガスもほぼ完全に電離されている。

中性水素原子を電離するためには波長が91.2nmよりも短い紫外線が必要で、このような高エネルギーの紫外線を放射する銀河（電離光子銀河）が再電離を引き起こしたと考えられている。そこで、初期宇宙で電離光子銀河を探す観測がこれまで行われてきたが、暗黒時代に相当するような約130億年前より古い宇宙（赤方偏移zが6以上）で電離光子銀河が見つかった例はない。再電離が終わる前の時代にはまだ中性水素が宇宙空間に残っているため、仮に電離光子銀河があったとしても、銀河からの紫外線が周辺の中性水素を電離するのに使われて吸収されてしまい、地球まで届かないのだ。

電離光子銀河は宇宙の再電離が終わった後の時代にも存在しているので、そうした比較的新しい電離光子銀河を観測すれば、再電離を引き起こした銀河の正体に迫ることができる可能性がある。しかしこれまでの観測では、約110億年前よりやや古い宇宙（z>2.5）か、あるいは約40億年前より新しい時代の宇宙（z<0.4）でしか電離光子銀河は見つかっておらず、この中間の時代は電離光子銀河の空白域になっていた。

インド・天文天体物理大学連携センター（IUCAA）のKanak Sahaさんたちの研究グループは、2015年に打ち上げられたインド初の天文衛星「AstroSat」の紫外線撮像望遠鏡（UltraViolet Imaging Telescope; UVIT）を用いて、この空白域の電離光子銀河を探査した。UVITは口径38cmの望遠鏡で、遠紫外線（154nm）と近紫外線（242nm）を同時に広い視野で撮像できる。

撮影したのは南天のろ座にある「GOODS South」と呼ばれる空の領域で、計約28時間にわたる長時間の露光を行った。この領域は「Great Observatories Origins Deep Survey（GOODS）」という深宇宙サーベイ観測のターゲットになった領域で、ハッブル宇宙望遠鏡（HST）をはじめとする世界各国の宇宙望遠鏡や地上の大型望遠鏡を使い、赤外線からX線までの波長で、きわめて暗い天体をとらえる観測がこれまでに行われている。

研究グループは、AstroSatで撮影したこの領域の画像を2年かけて解析し、遠紫外線の波長ではこれまでで最も高感度の画像を得た。その結果、約90億光年の距離（z=1.42）にある銀河「AUDFs01」から、中性水素を電離できる紫外線光子を検出した。検出された紫外線は波長が64nmに相当する。これほど高エネルギーの紫外線が銀河から検出されたのは初めてのことだ。

AstroSatで撮影された領域の擬似カラー画像。色はそれぞれ、赤：波長812.8nmの近赤外線（HST）、緑：603.5nmの可視光線（HST）、水色：241.8nmの近紫外線（AstroSat）、藍色：154.2nmの遠紫外線（AstroSat）。右上の枠内が今回紫外線が検出された銀河「AUDFs01」。右下はAstroSatのイメージ（提供：Kanak Saha (IUCAA)）

今回の発見によって、電離光子銀河がどのようなスペクトルの紫外線を放射するのか、それが途中で中性水素の吸収を受けながら銀河間空間の中をどのように伝わっていくのか、という点について新たな情報が得られる可能性が出てきた。

「今回の発見は、宇宙の暗黒時代がどのように終わりを迎え、宇宙に『光』がもたらされたのか、という謎を解く上できわめて重要な手がかりになります」（IUCAA所長 Somak Raychaudhuryさん）。

また、AstroSatのように規模の小さな天文衛星でも、性能を特化すればHSTをもしのぐ性能を発揮できることが今回実証された。これは世界の宇宙望遠鏡開発にとって大きな刺激となることが期待される、と研究グループではコメントしている。