最初の星宇宙最初の光はどう点いたか

宇宙最初の光は、ビッグバンから約1億5000万年後に灯った最初の星から来ました。それは太陽質量の数百倍の巨大な星でした。それ以前、約1億年の時点で、暗黒物質ハローはすでに形成されていて、その重力の井戸がガスを集め始めていました。これらの巨大な星が灯ると、その星の光が中性水素を再電離し、星が死ぬときには、重元素を初めて宇宙空間にまき散らしました。

この時代は1億年から10億年まで続き、星の誕生と、ブラックホールやクエーサーの出現の両方がありました。

6つの出来事

• 1億年・暗黒物質ハローの形成：重力の井戸がガスを集め始める。見えない巨大なお椀を想像してください。ガスはその壁面を滑り落ち、底にたまります。
• 1億5000万年・最初の星：太陽質量の数百倍の巨大な星が点火する。
• 2億年・宇宙の再電離：星の光が中性水素を再び電離する。
• 2億年・最初の超新星：重元素が初めて宇宙空間にまき散らされる。星は輝くだけではなく、最初の「錬金炉」です。
• 3億年・最初のブラックホール：巨大な星の中心核が崩壊してブラックホールになる。
• 7億年・クエーサー：超大質量ブラックホールが物質を呑み込みながら輝く。

これらの段階は互いに依存しています。重力の井戸がなければ、ガスは集まれません。星がなければ、超新星もなく、のちのブラックホールもありません。ブラックホールがなければ、クエーサーもありません。年代はおおよそのもので、実際にはこれらの過程は連続的に起こり、重なり合っていました。

見えない重力の井戸：暗黒物質

最初の手がかりは銀河団から来ました。かみのけ座銀河団の銀河は速く動きすぎているため、誰かが「暗黒物質」を提案しましたが、この考えは何十年も無視されました（Zwicky, Helvetica Physica Acta, 1933）。1970年に証拠が戻ってきました。アンドロメダ銀河の外縁は回転が速すぎるため、見えない物質が大量にあって重力を生み出しているはずです。暗黒物質はもはや単なる推測ではなくなりました（Rubin and Ford, The Astrophysical Journal, 1970）。

より直接的な証拠は、2つの銀河団が衝突したときに得られました。ガスは中央に残り、重力の中心は両側に移ったので、暗黒物質が「弾き飛ばされた」のです。論文のタイトルは、これを暗黒物質の存在の「直接的な実証的証拠」と呼んでいます（Clowe et al., The Astrophysical Journal Letters, 2006）。

星はなぜ輝き、どう死ぬのか

太陽はどうして何十億年も燃え続けられるのでしょうか。星は核融合で輝きます。この謎は「星のエネルギー生成」と題された論文で解明されました（Bethe, Physical Review, 1939）。星が死んだあとの運命にも限界があります。白色矮星の質量には上限があり、太陽質量の約1.4倍で、それを超えると星は崩壊し続けるほかありません（Chandrasekhar, The Astrophysical Journal, 1931）。

ブラックホール：間接的な証拠から影まで

銀河系中心の近くの星の軌道を10年以上追跡した結果、太陽質量の約400万倍のブラックホールが潜んでいることがわかりました。この研究は2020年のノーベル賞を受賞しました（Ghez et al., The Astrophysical Journal, 2008）。13億年前に2つのブラックホールが合体し、時空のさざ波がついに人類に聞こえ、1世紀前のアインシュタインの予言が裏づけられました（Abbott et al., LIGO and Virgo, Physical Review Letters, 2016）。世界中の電波望遠鏡が地球サイズの「仮想望遠鏡」をつくり、M87 銀河の中心にあるブラックホールの影を撮影しました（Event Horizon Telescope Collaboration, The Astrophysical Journal Letters, 2019）。

まだ解けていない謎

宇宙が誕生して7億年にも満たないころ、すでに太陽質量の8億倍のブラックホールが存在していました。どうやってそれほど速く成長したのでしょうか。それは今も謎です。論文のタイトルは、赤方偏移7.5と「かなり中性な宇宙」という2つの条件も明記しています（Bañados et al., Nature, 2018）。

原典を読むには？ 次のタイトルで検索してください

• Zwicky (1933): Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln（おおよそ「系外星雲の赤方偏移」）
• Rubin and Ford (1970): Rotation of the Andromeda Nebula from a spectroscopic survey of emission regions
• Clowe et al. (2006): A direct empirical proof of the existence of dark matter
• Chandrasekhar (1931): The maximum mass of ideal white dwarfs
• Bethe (1939): Energy production in stars
• Ghez et al. (2008): Measuring distance and properties of the Milky Way's central supermassive black hole with stellar orbits
• Abbott et al. (2016): Observation of gravitational waves from a binary black hole merger
• Event Horizon Telescope (2019): First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The shadow of the supermassive black hole
• Bañados et al. (2018): An 800-million-solar-mass black hole in a significantly neutral Universe at a redshift of 7.5

ゲームでの表現

ゲームでは、最初の星の時代の期間は「1億5000万〜10億年」で、資源は星です。ジェネレーターは暗黒物質ハロー、ガスの崩壊、原始星、種族 III の巨大星で、上の「重力の井戸から星へ」の過程のおおよその順になっています。