首次從早期宇宙星系探測到中性氧發射線——以阿塔卡馬望遠鏡開拓「恆星原料」觀測新視野

由千葉大學先進科學研究中心札本佳伸特任助教、大栗真宗教授、早稻田大學井上昭雄教授、筑波大學橋本拓也助教、廣島大學稻見華惠准教授等人組成的國際研究團隊，利用阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）（註1），成功探測到宇宙誕生後約7億至8億年之間四個星系中，中性氧原子所發出的「[O I] 145微米（micrometers）」發射線（註2）。此為迄今針對典型恆星形成星系中冷中性氣體（註3）所取得最遙遠的直接訊號。中性氣體是恆星形成的直接原料，但以詹姆斯、韋伯太空望遠鏡（JWST）（註4）等可見光與近紅外線望遠鏡難以直接觀測，因此此項成果正是ALMA望遠鏡獨特觀測能力的體現。本研究成果為理解早期宇宙星系中恆星如何誕生與演化，開啟了全新的觀測窗口。

本研究成果已於2026年6月15日（美國東部時間）刊登於學術期刊《天體物理期刊》。 （論文連結：10.3847/1538-4357/ae5bad）

圖：大爆炸後約7億年存在的星系A1689-zD1（背景），以及透過ALMA觀測所檢測到的中性氧發射線（等高線與光譜）

研究背景

恆星的形成，源於星系內由氫原子與分子組成的「中性氣體」冷卻並聚集的過程。因此，若要理解早期宇宙中星系的形成機制，探究作為恆星直接原料的中性氣體性質至關重要。然而，近年表現亮眼的JWST等可見光與近紅外線望遠鏡，雖能觀測電離氣體（註5）與恆星本身，卻無法直接捕捉冷中性氣體。此類觀測需依賴ALMA等電波望遠鏡，但針對早期宇宙星系的直接觀測案例極為稀少。

研究成果重點

- 首次直接觀測早期宇宙星系中的「恆星原料」：研究團隊利用ALMA，從宇宙誕生後約7億至8億年的四個恆星形成星系（REBELS-38、A1689-zD1、REBELS-25、REBELS-18）中，成功探測到顯示中性氣體（恆星直接原料）存在的「[O I] 145μm」發射線。此發射線在早期宇宙的恆星形成星系中尚無觀測先例，亦是典型恆星形成星系中最遙遠的檢測案例。 - 早期宇宙星系為「富含恆星原料」的恆星誕生現場：透過多條發射線觀測的綜合分析，研究發現這些星系擁有與當代星爆星系相當的高密度中性氣體。進一步結合JWST所測得的氧元素組成比，團隊成功直接估算出中性氣體的質量。 - 確認廣泛使用的「[C II] 158μm」發射線（註6）的真實來源：本研究同時觀測了源自電離氣體的「[N II] 205μm」（註7）發射線，並對多條遠紅外線發射線進行比較分析。過去廣泛觀測的「[C II] 158㎛」發射線可能來自中性與電離氣體雙方，其主要來源長期存在模糊性。透過與本次觀測結果的比對，團隊首次直接驗證其主要來自中性氣體。此發現為利用累積的[C II]觀測資料進行中性氣體研究開闢了道路。

未來展望

本次觀測首次證實，即使在早期宇宙的星系中，中性氧發射線亦可有效觀測。同時確認其可用於「恆星原料」研究，為宇宙學研究開啟了全新大門。未來團隊將對更多星系進行觀測，以揭示宇宙誕生初期星系中恆星形成的整體圖像。此外，預期透過與JWST等其他望遠鏡的聯合觀測，多角度掌握星系特性，進一步解明宇宙從誕生至今的星系形成與演化歷程。

名詞解釋

- 註1）阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）：位於南美洲智利阿塔卡馬沙漠、海拔約5,000公尺處，由日本、歐洲、北美等多國合作建造的世界最大電波望遠鏡。 - 註2）[O I] 145㎛：原子或分子在特定波長釋放的光稱為「發射線」，可藉波長判斷原子或分子的種類與狀態。[O I] 145㎛指中性氧原子所釋放的遠紅外線發射線。 - 註3）中性氣體：電子仍與原子核結合的冷氣體，為恆星形成的直接原料。 - 註4）詹姆斯、韋伯太空望遠鏡（JWST）：由NASA主導，歐洲與加拿大太空機構共同開發的太空望遠鏡。於2021年發射，透過近紅外至中紅外波段觀測，可高精度揭示早期宇宙星系中恆星與電離氣體的性質。 - 註5）電離氣體：年輕高溫恆星釋放的強烈紫外線將電子剝離後形成的高溫氣體。 - 註6）[C II] 158㎛：指電離碳所釋放的遠紅外線發射線。 - 註7）[N II] 205μm：指電離氮所釋放的遠紅外線發射線。

論文資訊

- 標題：ALMA Observations of [OⅠ]145µm and [NⅡ]205µm Emission lines from Star-Forming Galaxies at z ∼ 7 - 作者：札本佳伸、井上昭雄、Rychard Bouwens、稻見華惠、Renske Smit、Dan Stark、Manuel Aravena、Andrea Pallottini、橋本拓也、大栗真宗，及其他15名 - 期刊名稱：Astrophysical Journal - DOI：10.3847/1538-4357/ae5bad

研究計畫說明

本研究獲日本學術振興會科學研究費助成事業（JP22K21349、JP23K13149）資助執行。