オーストラリア北西部の遠隔地で研究している米国の研究者グループが、ビッグバンから約1億8000万年後に誕生した、これまで観測された中で最も古い星からの信号を特定した。
この観測により、天文学者らは新たな謎も解き明かした。信号が強すぎるため、重粒子（通常の物質）と暗黒物質の相互作用を示唆している可能性があるのだ。
アリゾナ州立大学のジャッド・ボウマン博士率いる研究チームは12年間にわたり研究を行い、そのうち9年間は西オーストラリア州のマーチソン電波天文台（MRO）で過ごした。Nature誌に掲載されたこの論文では、136億年前に形成された恒星に由来すると考えられる78MHzの信号について報告している。この信号は、これらの恒星がビッグバン後に最初に形成された恒星の一つであることを示すものである。
78 MHz は FM 放送、固定無線、ナビゲーション ビーコンに近い、無線スペクトルの混雑した部分にあるため、信号を検出するのは困難でした。
ボウマン博士は、これらの信号を探すために、地球全体のEoR（再イオン化期）シグネチャを検出する実験装置（EDGES）を作成し、9年前に無線の静寂を求めてマーチソンサイトに持ち込みました。
EDGES には、無線受信機と信号プロセッサに接続された、比較的小型のアンテナ（数平方メートル）があります（MRO サイトには 2 つの EDGES 機器があります）。
国立科学財団による宇宙の進化。画像：NR Fuller
本日発表された信号は2015年と2016年に検出されたが、研究グループが結果を発表するまでに2年以上の検証を要した。
暗黒物質の問題
そもそも星を検出すること自体が偉業だった。光は弱すぎて直接検出できないのだ。
EDGESが検出したのは、星が初めて形成され始めた頃、宇宙の大部分を構成していた中性水素（陽子1個と電子1個からなる非電離水素）から発せられた信号でした。この水素は星のエネルギーによって励起され、1.4GHzで放射されます。130億年以上の赤方偏移を考えると、今日、この信号はジャッド博士が検出した周波数と一致していることになります。
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EDGES は、地球からの電波 (月から跳ね返ってくる電波信号を含む) を除去するだけでなく、宇宙の広大な背景ノイズからその信号を区別できなければなりませんでした。
しかし、何かがおかしい。ここで暗黒物質が登場するかもしれない。
国立科学財団（NSF）のピーター・カーチンスキー氏が以下のビデオで説明しているように、EDGES が発見した信号は天文学者が予想したよりも 2 倍大きく、「初期宇宙の吸収ガスは私たちが考えていたよりも寒かったことを意味します」。
YouTubeビデオ
天文学者のケイティ・マックは、サイエンティフィック・アメリカン誌でさらに詳しい情報を提供している。
背景放射に対する吸収信号が予想よりも強くなる可能性は二つしかありません。一つは、放射が私たちが考えていたよりも明るかった場合です。説明のつかない背景電波はこれまでも観測されていますが、これらの周波数では観測されていません。最初の星が誕生した当時、これほど多くの電波を生成できたものが何だったのか、私たちには分かりません。もう一つの可能性は、ガスが私たちが考えていたよりも冷たく、そのため背景光を多く吸収したというものです。私たちの知る限り、当時の宇宙には中性水素よりも冷たいものは一つしかありませんでした。それは暗黒物質です。
もしそのような相互作用があれば、熱は水素から暗黒物質へと伝わる可能性がある。しかし、これまで重粒子と暗黒物質の間で知られている相互作用は重力によるものだけであり、これはジャッド氏が発見した信号を説明するには十分強い相互作用ではない。
マック氏は、暗黒物質との相互作用が意味するのは、これまで見つけるのが難しかったその物質の存在の証拠となるということだと書いている。
暗黒物質の分析はテルアビブ大学のレナン・バルカナ氏によってネイチャー誌に別の論文として発表された。
オーストラリアの CSIRO がこの記事でマーチソン施設について説明しています。®
