教科書の宇宙は、書き換えられ始めている。

編集・制作：未知なる宇宙科学 ARCHIVES 編集部

教科書の宇宙が書き換えられ始めている——JWSTが初期宇宙で発見したこと

宇宙を「遡る」とはどういうことか

夜空の星を見るとき、私たちは現在ではなく過去を見ています。光が地球に届くまでに時間がかかるからです。望遠鏡で遠くを見るほど、より古い時代の宇宙を観測していることになります。

2022年に運用を開始したジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）は、これまでの望遠鏡では届かなかった「宇宙の最初期」を可視化することに成功しました。ところが、そこで見えたものは、現在の宇宙モデルが予測していた姿とは大きく異なっていました。

現代宇宙論の土台——ビッグバン理論とその証拠

なぜ私たちは宇宙に「始まり」があると考えているのでしょうか。その根拠は、20世紀の二つの発見に遡ります。

一つ目は1929年のハッブルの観測です。遠い銀河ほど速く遠ざかっているという事実は、宇宙が膨張していることを意味します。膨張している宇宙を時間的に逆向きに辿れば、すべての物質はひとつの点に収束します。ここから「宇宙は約138億年前、超高温・超高密度の状態から始まった」とするビッグバン理論が導かれました。

二つ目の証拠は1964年に発見された宇宙マイクロ波背景放射（CMB）です。宇宙誕生から約38万年後、宇宙が冷えて初めて光が自由に飛び回れるようになった瞬間の「残光」で、現在も宇宙のあらゆる方向から絶対零度より約2.7度高い電波として観測されています。CMBはビッグバン理論の強力な実証的証拠と見なされています。

こうして20世紀後半、宇宙の歴史はおおむね次のように整理されました。

• 0秒：ビッグバン
• 38万年後：宇宙の「晴れ上がり」、光が飛び始める（CMB放射）
• 数億年後：最初の星々が誕生する「宇宙の夜明け」
• 10億年後以降：小さな星の集団が衝突・合体を繰り返しながら銀河が徐々に巨大化する

この枠組みの中で特に重要な前提とされてきたのが、「銀河は長い時間をかけて少しずつ成長する」という考え方です。天の川銀河のような大銀河は、数十億年の合体・成長の産物だというシナリオです。

JWSTが初期宇宙で見つけた「想定外の銀河」

なぜJWSTだけが初期宇宙を見られるのか

JWSTが従来の望遠鏡と根本的に異なる点は、赤外線への対応能力です。

宇宙が膨張しているため、遠い天体から届く光は波長が引き伸ばされ、より長い波長（赤い側）へずれていきます。「赤方偏移」と呼ばれるこの現象により、極めて遠い——すなわち極めて古い時代の——銀河の光は、可視光を超えて赤外線の領域にまで引き伸ばされてしまいます。

JWSTは口径6.5メートルの主鏡と、マイナス233度まで冷却された赤外線専用センサーを備えています。ハッブル宇宙望遠鏡では捉えきれなかった初期宇宙の光を観測するために設計された装置です。

発見された「成熟した銀河」の問題

2022年から2023年にかけてのJWSTの観測結果は、多くの研究者の予測を大きく超えるものでした。

ビッグバンからわずか3〜5億年後という時期に、すでに天の川銀河に匹敵する質量を持つ巨大銀河が複数確認されたのです。なかには太陽の1000億倍もの星の質量を持つ天体も含まれています。JADES-GS-z14-0のように、観測史上最遠記録を更新した天体の光は、134億年かけて地球に届いたものです。

従来の銀河形成シナリオでは、これほど初期に巨大な銀河が存在するとは考えられていませんでした。「もし正しければ、これは宇宙論にとって宇宙を壊すほどの問題（universe breakers）だ」と表現した研究者もいます。

なぜこれが理論への挑戦なのか

現代宇宙論の標準モデルであるΛCDMモデル（ダークマターとダークエネルギーを基盤とする理論）は、初期宇宙で生成できる星の量に上限があると予測しています。JWSTが見つけた銀河はその上限を超える効率で星を作っていた可能性があります。

現時点で議論されている解釈は大きく二つです。

1. 初期宇宙では、星の生成効率が現在と大きく異なっていた——ガスが恒星に転換されるプロセスが、私たちの理解を超えて速かった。
2. 標準宇宙モデル自体に修正が必要——ダークマターの振る舞いや宇宙初期の物理過程に、まだ組み込まれていない要素がある。

いずれにせよ、どちらの解釈も教科書の記述をそのまま維持することはできません。ただし現時点では、この発見がΛCDMモデルを根本から否定するものなのか、それとも既存の枠組みの中での修正で対応できるのか、結論は出ていません。

現在進行中の未解決問題

JWSTの観測は、一つの問いに答えるたびに別の問いを生んでいます。

超巨大ブラックホールの起源

JWSTは初期銀河の中心に、太陽の数百万から数億倍の質量を持つ超巨大ブラックホールも発見しました。ブラックホールも本来は長い時間をかけて物質を吸収しながら成長すると考えられています。それが宇宙の黎明期にすでに巨大化していた理由として、最初の「種」となるブラックホールが想定よりはるかに重く生まれた可能性が議論されています。

ハッブル定数の測定値のずれ

宇宙の膨張速度を示す「ハッブル定数」の値が、測定方法によって一致しないという問題も、現代宇宙論が抱える重要な課題です。

• CMB（初期宇宙）から計算した値：約67 km/s/Mpc
• 現在の宇宙の天体から測定した値：約73 km/s/Mpc

この約9%のずれは「ハッブル・テンション」と呼ばれ、測定精度が向上した現在でも解消されていません。誤差の範囲で説明できるレベルを超えつつあるとされており、宇宙の過去と現在の記述に整合しない何かが潜んでいる可能性を示しています。

リトル・レッド・ドット

JWSTは初期宇宙に、赤くコンパクトな謎の天体群「リトル・レッド・ドット（小さな赤い点）」を大量に発見しました。超高密度の星の集団なのか、成長中のブラックホールなのか、現時点では同定されていません。こうした正体不明の天体が初期宇宙に多数存在することは、私たちの宇宙理解にまだ大きな空白があることを示しています。

JWSTの発見が問いかけていること

初期宇宙の銀河形成の謎は、私たち自身の起源とも無縁ではありません。人体を構成する炭素・酸素・鉄といった元素はすべて星の内部で合成され、星の死とともに宇宙に放出されたものです。初期宇宙でいつ・どの程度の速さで星が生まれたのかという問いは、私たちを構成する元素がいつどのように作られたのかという問いでもあります。

科学的に重要なのは、現在起きていることの性質です。JWSTのデータは、教科書に書かれた宇宙の歴史が「暫定的な理解」であることを改めて示しました。より精度の高い観測装置が登場することで、それまで「確立した知識」と見なされていた前提が見直しを迫られることがある——これは科学が機能している証拠です。

まとめ——現時点でわかっていること、まだわかっていないこと

確認されていること

• JWSTはビッグバンから3〜5億年後に相当する時期に、従来の予測を超える質量の銀河を複数観測した。
• これらの発見は、標準的な銀河形成モデルとの間に説明の難しい差異を生じさせている。
• ハッブル定数のずれは誤差で片付けられないレベルにまで精度が高まっている。

現在も議論中のこと

• これがΛCDMモデルの根本的な修正を要するものなのか、それとも既存の枠組みの拡張で対応可能なのかは未決定。
• 初期銀河・超巨大ブラックホール・リトル・レッド・ドットの形成メカニズムは、いずれも研究が進行中。

世界中の天文学者が現在もJWSTのデータを分析しています。宇宙の歴史の記述は、今この時点でも更新されているところです。