何十年もの間、ハッブル望遠鏡を覗き込む天文学者たちは、宇宙最初の星々が瞬き始める瞬間を捉えようと奮闘してきた。しかし、宇宙を形作った小さな銀河たちは、最新鋭の機器をもってしても暗すぎて見えなかった。今、天文学者たちはようやく二つの味方を手に入れた。ウェッブ宇宙望遠鏡と、ちょっとした宇宙の幸運だ。

最近『ネイチャー』に掲載された論文で、日本の金沢大学の中島紀彦率いるチームが、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を使って、ビッグバンから約8億年後に存在した超暗い銀河「LAP1-B」を観測した。これはこれまでに観測された中で最も化学的に原始的な銀河だ—これまでにどれだけ多くの原始的なものを観測してきたか考えると、それはかなりのことだ。

LAP1-Bは130億光年彼方にある。ウェッブの巨大な金メッキベリリウム鏡だけでは不十分だった。チームは、MACS J046という巨大な銀河団のおかげでこれを発見した。この銀河団は、私たちとLAP1-Bの間の時空を、宇宙のファンハウスミラーのように歪めている。「この銀河は重力レンズ効果によって強く拡大されました」と中島氏は言う。具体的には、歪んだ時空がLAP1-Bの明るさを約100倍に増幅したのだ。

その増幅があっても、LAP1-Bは非常に暗いため、ウェッブもハッブルもその恒星連続光—星々の安定した背景光—を検出できなかった。中島氏らにとって、それ自体が手がかりだった。距離と望遠鏡の感度がわかっているので、彼らはLAP1-Bの恒星質量の厳しい上限を計算した：太陽質量の3,300倍だ。これは天の川銀河の約1,000億太陽質量に比べれば誤差のようなものだ。

ウェッブの鏡に届いた光のほとんどは星からのものではなく、輝くガスからのものだった。そのガスを調べたチームは、LAP1-Bがこれまで観測された中で最初の原始銀河に最も近いものだと気づいた。その輝きは、大質量星からの高エネルギー放射が周囲の星間ガス雲に衝突し、蛍光を発していることによる。ウェッブの近赤外線分光器を使って、研究者たちは光をスペクトルに分解し、化学組成を示す輝線を探した。

「我々は酸素がどれだけ存在するかを測定したかったのです」と中島氏は言う。分析の結果、水素とヘリウムより重い元素が深刻に不足していることが明らかになった。ガス中の酸素と水素の比率は、太陽のわずか0.4%だった。もう一つの詳細：三重電離炭素—炭素原子が6つの電子のうち半分を失った状態。これらの電子を剥ぎ取るには、47.9電子ボルトを超えるエネルギーを持つ極端紫外光子が必要だ。標準的な星、たとえ近くにある大質量星でも、それほど高温ではない。その温度に達することができる星は、宇宙で最初に点火された星々—ビッグバンからの水素とヘリウムだけでできており、形成時に冷やすための重元素を欠いている—だとチームは示唆する。「そのような星は原始ガスから形成されるはずです」と中島氏は言う。

今日の星々（太陽を含む）は種族Iだ。銀河ハローにある古い星々は種族IIで、重元素がはるかに少ない。種族IIIの星々は最初の星々であり、理論上は太陽の数百倍の質量が小さな体積に詰め込まれた暴力的な怪物で、極度に高温で燃え、若くして超新星爆発で死ぬ。中島氏のチームは、LAP1-Bにそれらの爆発の痕跡を発見した可能性が高い。

重元素が極端に少ないにもかかわらず、LAP1-Bは異常に高い炭素対酸素比を持っている—太陽よりも高い。研究者たちは、その答えはそれらの最初の大質量星がどのように死んだかにあると考えている。種族IIIの星が崩壊すると、その中心はブラックホールになるが、超新星爆発は星を吹き飛ばすほど強力ではない。「それらの重力結合エネルギーは通常の大質量星よりも強いのです」と中島氏は言う。崩壊は弱い超新星爆発をもたらし、かなりのフォールバックが起こる：酸素のような重い元素は事象の地平線に吸い込まれ、炭素に富む軽い外層は逃げ出す。LAP1-Bの化学組成は、種族III超新星からのガスの指紋のように見える。

もう一つの手がかり：ガスの速度。ドップラー幅を測定することで…