最終更新日：2026年4月3日

宇宙が盲目だった時代：最初の星々の前の長い夜

宇宙の暗黒時代とは何ですか？

ビッグバンの後、宇宙は暗黒時代として知られる驚異的な時代を経験しました。この時代はビッグバンから約38万年から4億年後、つまり現在から約138億年から134億年前まで続きました。この長い宇宙の夜の間、星も銀河も可視光源もまだ存在しませんでした。宇宙はほぼ完全な暗闇に包まれ、中性の水素とヘリウムの広大な霧だけが存在していました。

「暗黒」という言葉は、可視光の欠如だけでなく、この時代が観測機器にとって不透明であることも示しています。この4億年間に何が起こったのかを理解することは、現代宇宙論の主要な課題の一つです。この時代はどのような証拠を残したのでしょうか？天体物理学者はどのようにしてこの原始的な暗闇を探るのでしょうか？

背景：再結合から星の沈黙へ

ビッグバンから約38万年後、基礎的な出来事が起こりました： 再結合です。それまで、宇宙は非常に高温で高密度だったため、物質はプラズマの形で存在していました：電子と陽子は自由に動き回り、宇宙を光子に対して不透明にしていました。温度が3000ケルビン以下に下がると、電子は陽子に捕獲され、中性水素原子を形成しました。宇宙は突然透明になり、光子は宇宙空間を自由に伝播できるようになりました。

再結合時に放出されたこの放射は、現在 宇宙マイクロ波背景放射（CMB）として検出可能です。 COBE（1992年）、WMAP（2001-2010年）、特に プランク（2009-2013年）によるそのマッピングにより、この原始時代の宇宙の状態を驚くべき精度で再構築することができました。しかし、この初期の明るさの瞬間の後、宇宙は沈黙と暗闇に包まれました。

星のない宇宙：暗黒時代の物理学

再結合後、バリオン物質（中性の水素とヘリウム）は、CMBによって明らかにされた微小な過密領域に重力の影響で集まり始めました。これらの密度ゆらぎは平均密度に対して\(10^{-5}\)のオーダーで、将来の宇宙構造（フィラメント、クラスター、銀河）の種となりました。

しかしながら、この重力凝縮の過程は極めて遅かったです。これらのガス雲が核融合を開始し、最初の星を形成するのに十分な密度と温度に達するまでに数億年かかりました。その間、宇宙は暗闇に包まれたままでした。

この時代の物理学は、いくつかの重要なパラメータによって支配されています。宇宙ガスの温度は\(T \propto (1+z)\)の関係に従って低下しました、ここで\(z\)は赤方偏移を示します。同時に、 暗黒物質は、重力ハローを通じて構造形成に不可欠な役割を果たしました：これらのハローは、バリオン物質が崩壊して最初の構造を形成するためのポテンシャル井戸を提供しました。

最初の星：暗闇の終わり

最初の星々は種族IIIの星と呼ばれ、ビッグバンから1億年から2億年後に形成され、暗黒時代の終わりの始まりを告げました。これらの星々からの紫外線放射は徐々に周囲の中性水素を電離し始め、再電離を開始しました。再電離はビッグバンから約10億年後まで続きました。これらの原始星はおそらく非常に質量が大きく、太陽質量の100倍から1000倍程度だったと考えられています。これは、原始ガス中に金属（ヘリウムより重い元素）が存在しなかったため、低質量星の形成に必要な効率的な冷却が妨げられたためです。

Volker Bromm（1972年生）とRichard Larson（1937-2024年）の理論的研究は、暗黒物質ハロー内でのこれら最初の星々の形成をモデル化する上で大きく貢献しました。これらの星々は、周囲の中性水素を電離することができる強烈な紫外線放射を放出し、基本的な過程を引き起こしました： 再電離です。

再電離は公式に暗黒時代の終わりを告げます。これはビッグバンから約1億5千万年から10億年の間に徐々に進行しました。最初の光源周りの電離水素の泡は成長し合体し、最終的に宇宙全体が再電離され、紫外線光子に対して再び透明になりました。

見えない宇宙の証人

定義上暗い時代をどのように探るのでしょうか？天体物理学者は、暗黒時代への窓となるいくつかの間接的なトレーサーを持っています。

最初で最も直接的なものは、中性水素の21cm信号です。水素原子の電子が陽子に対してスピンを反転させると、21センチメートルの波長の光子を放出します。この信号は宇宙の膨張によって赤方偏移し、暗黒時代の中性水素の分布を明らかにする可能性があります。 HERA（Hydrogen Epoch of Reionization Array）や将来のSKA（Square Kilometre Array）などの機器は、この信号を検出するために特別に設計されています。

2番目の窓は、 遠方のガンマ線バースト（GRBs）によって提供されます。これらのイベントのうち、赤方偏移6以上で検出されたものは、その光が通過する銀河間ガスの組成と電離状態を探ることを可能にします。これらは宇宙の灯台のように暗黒時代を一時的に照らします。

最後に、2022年から運用されているジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、ビッグバンから3億年も経たないうちに形成された、これまで観測された中で最も古い銀河のいくつかを直接検出することで、第三の道を開きました。これらの直接観測により、最初の構造と再電離の形成モデルをこれまでにない精度で制約することができます。

暗黒時代と再電離の年表

宇宙の暗黒時代と関連する出来事の年表
時代（ビッグバン後）	赤方偏移（z）	出来事	観測可能な証拠	主要な観測機器
〜38万年	z 〜 1,100	再結合：最初の中性原子の形成	宇宙マイクロ波背景放射（CMB）	プランク、WMAP
38万年〜約1,000万年	z 〜 1,100 から z 〜 500	暗黒時代の始まり：ガスの冷却と凝縮	21cm信号（まだ検出されていない）	HERA、SKA（将来）
〜1億年から2億年	z 〜 20 から z 〜 15	最初の種族IIIの星の形成	残存UV放射、化学的豊富化	ジェームズ・ウェッブ（JWST）
〜2億年から4億年	z 〜 15 から z 〜 10	最初の原始銀河の形成	非常に高い赤方偏移の銀河	JWST、ユークリッド
〜1億5千万年から〜10億年	z 〜 20 から z 〜 6	中性水素の徐々に進行する再電離	ライマン・アルファの森、遠方のGRBs	VLT、ケック、JWST
〜10億年	z 〜 6	再電離の終わり：宇宙が完全に再電離	ガン・ピーターソン信号の完全吸収	遠方のクエーサー（SDSS）

N.B.：示された赤方偏移の値は、標準的な宇宙論モデル（\(\Lambda\)CDM）からの推定値です。初期の数億年間の不確実性は依然として大きく、これらの極端な赤方偏移での直接観測は現在の観測機器の能力の限界にあります。年齢と赤方偏移の対応は、採用された宇宙論的パラメータ、特にハブル定数\(H_0\)に依存します。

暗黒物質：暗黒時代の見えない建築家

暗黒時代は定義上可視光が存在しない時代でしたが、宇宙的な不活動の時代ではありませんでした。宇宙のエネルギー密度の約27％を占める暗黒物質は、静かに宇宙構造を組織し続けていました。

構造形成の階層モデルによれば、小さな暗黒物質のハローが最初に形成され、徐々に合体してより大きな構造を形成しました。この階層的成長と呼ばれる過程は、完全に重力によって駆動され、光の放出はありませんでした。

Volker Springel（1970年生）とその共同研究者によるミレニアム・シミュレーションプロジェクトや IllustrisTNGプロジェクトなどの大規模な宇宙論的シミュレーションは、暗黒時代の間に宇宙の網のフィラメントとノードがすでに組織化され始めていたことを示しています。これらの構造は、私たちが今日観測する銀河の広大なネットワークがはるか後に構築されるための見えない骨格を形成しています。

21cm信号：観測の次のフロンティア

中性水素の21cm信号の直接検出は、現在、宇宙論における最も野心的な観測的課題です。 2018年、EDGES（Experiment to Detect the Global Epoch of Reionization Signature）コラボレーションは、理論的予測の2倍の振幅を持つ21cm信号を検出したと発表しました。この信号は78MHz付近に中心があり、赤方偏移\(z \approx 17\)に対応し、ビッグバンから約1億8千万年後に相当します。

この異常は科学コミュニティ内で激しい論争を引き起こしました。 Rennan Barkana（1972年生）などの一部の理論家は、この過剰が暗黒物質とバリオンの間の相互作用を示唆している可能性があり、これは暗黒物質の最初の直接的な観測的証拠となるかもしれないと提案しました。他の研究者は、この異常を機器の効果や銀河の前景放射の不十分な除去に帰しました。この問題は未解決のままであり、活発な実験的および理論的研究の対象となっています。

この議論の結果にかかわらず、暗黒時代における中性水素の三次元マッピングは、今後の数十年にわたる主要な科学的目標です。将来のSquare Kilometre Array（SKA）は、2030年頃から科学観測を開始する予定で、この課題に取り組むために設計されています。

宇宙史における暗黒時代

暗黒時代は、宇宙の歴史におけるその位置を測ることを可能にする宇宙のタイムラインに組み込まれています。 138億年の宇宙の歴史を1年に圧縮すると、暗黒時代は1月1日から2月初めまで続きます。太陽と太陽系は9月に現れ、人類は12月31日の最後の数秒に登場します。この視点は、暗黒時代が宇宙史の基本的な章であることを強調しています。

James Gunn（1938年生）とBruce Peterson（1942年生）は、1965年に、遠方のクエーサーのスペクトルが、銀河間水素が中性である場合、紫外線で完全な吸収を示すべきであると予測しました：これをガン・ピーターソン効果と呼びます。 2001年、Robert Beckerとその共同研究者は、スローン・デジタル・スカイ・サーベイのデータで\(z \approx 6.3\)のクエーサーを観測し、再電離がこの時代に完了していたことを直接観測的に確認しました。

暗黒時代の宇宙論へ

暗黒時代の理解は、暗黒物質と暗黒エネルギーの性質の理解と切り離せません。これらは宇宙の主要な2つの構成要素です。暗黒物質のハローはどのように形成されたのでしょうか？最初の星の最小質量はどれくらいでしょうか？再電離の正確な年表はどのようなものだったのでしょうか？これらの質問は部分的に未解決のままであり、活発な研究分野です。

ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、暗黒時代についての議論を終結させるどころか、再び議論を呼び起こしました：予想よりも早い時期に明るすぎる銀河を検出することで、宇宙の夜明けがモデルが予測したよりも早く、激しかったことを示唆しています。