水素を晴らしたのは小さな銀河、ヘリウムを晴らしたのはクエーサーだった。一辺16億光年の宇宙を丸ごと計算した Lumina が描く、2段階の「宇宙の夜明け」

2026.10.27
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宇宙が生まれて数億年のあいだ、空間を満たしていた水素のガスは電気的に中性で、星の光を通しにくい「暗黒時代」が続きました。やがて最初の星や銀河の紫外線がガスを電離し、宇宙は晴れ上がります。これが「宇宙の再電離」です。ただし、電離されたのは水素だけではありません。ガスの約4分の1を占めるヘリウムは、水素よりはるかに強い光でないと2回目の電離が起きず、それが終わるのはずっとあとの時代です。ハーバード・スミソニアン天体物理学センターの Oliver Zier さん、テキサス大学ダラス校の Aaron Smith さんらは、水素とヘリウムの再電離を銀河やクエーサーの進化ごと丸ごと計算した大規模シミュレーション「Lumina」を、2026年10月26日に Monthly Notices of the Royal Astronomical Society で発表しました。

一辺16億光年の箱を、スーパーコンピューターの2割で

Lumina は、一辺500メガパーセク（共動距離。現在の尺度でおよそ16億光年）の立方体の中に、ガスと暗黒物質をそれぞれ6,000の3乗、合わせて4,320億個の要素で敷き詰め、宇宙誕生の初期から赤方偏移3（ビッグバンから約21億年後）まで時間を進めます。ガスの流れと重力に加えて、星やブラックホールから出る光が6つの波長帯に分けて運ばれ、光がガスを電離し温める効果まで同時に解かれます。こうした「輻射流体」計算は重く、計算のたびに光の伝わり方を全空間で更新しなければなりません。

これを動かしたのは、オークリッジ国立研究所のエクサスケール級スーパーコンピューター Frontier です。1,884ノード、CPU コア10万5,504個と AMD の GPU 加速器 MI250X 7,536基で、機械全体の2割強にあたります。光の計算は GPU 向けに書き直され、従来の CPU 版の約20倍速くなりました。それでも計算中のメモリの使用量は最大で約600テラバイト、途中経過を保存するたびに約250テラバイトを書き出すという規模です。

水素を晴らしたのは小さな銀河、ヘリウムを晴らしたのはクエーサーだった。一辺16億光年の宇宙を丸ごと計算した Lumina が描く、2段階の「宇宙の夜明け」

水素は星が、ヘリウムはクエーサーが電離した

計算の結果、水素の再電離は、比較的遅く、場所によるばらつきの大きいものになりました。箱全体を一辺100メガパーセクの125個の小箱に分けて見ると、真ん中あたりの小箱は赤方偏移5.2ごろに電離を終える一方、最後まで残った中性水素のかたまりが消えるのは赤方偏移4.75になってからです。水素を電離した光のほとんどは、星をさかんに作る小さな銀河から出ていました。クエーサー（活動銀河核）の寄与は、水素の再電離が終わりに近づく赤方偏移5の時点でも15パーセントほどです。

ヘリウムはまったく違う道をたどります。1回目の電離は水素と同じころに星の光で済みますが、2回目の電離には4倍以上のエネルギーを持つ光子が要ります。星の光ではほとんど足りず、クエーサーの硬い放射が主役になります。Lumina では、最も明るいクエーサーが赤方偏移6ごろから周囲のヘリウムを電離し始め、箱全体の半分が電離されるのは赤方偏移4ごろ、赤方偏移3でほぼ完了しました。残った中性のヘリウムは体積にして1パーセント未満で、これは観測から見積もられている値と合っています。

クエーサーは星よりずっとまれで、ひとつひとつが桁違いに明るいので、ヘリウムの電離の泡は水素のときより大きく、残る未電離の領域も大きくなります。水素の再電離の終わりとヘリウムの再電離の始まりは赤方偏移6付近で重なっていて、水素が電離されたばかりで熱いガスの中を、ヘリウムの電離の前線が進んでさらに温める、という段階を踏みます。

これまでの大規模計算が置いてきたもの

水素の再電離を扱う大規模な計算は、これまでにもありました。Lumina の新しさは、ヘリウムの2回目の電離までを同じ計算の中で、クエーサーの成長と結びつけて追ったことです。ヘリウムの再電離は、水素よりずっとあとの、クエーサーが最も多かった「宇宙の正午」と呼ばれる時代に起きます。そこまで輻射流体計算を続けるには、水素の再電離が終わったあとさらに10億年近く計算を回す必要があり、しかも、まれなクエーサーを十分な数だけ含むには大きな箱が要ります。一辺500メガパーセクという大きさは、そのための選択です。

結果の検証もいくつか示されています。宇宙マイクロ波背景放射が自由電子に散乱される度合い（トムソン散乱の光学的厚み）は、プランク衛星の観測値とよく合いました。銀河の集団の性質は、土台にした IllustrisTNG の計算と整合しています。ガスの温度の歴史も、水素の再電離で1万から2万ケルビンに温まり、いったん冷えて、ヘリウムの再電離で再び温まるという多段階の形が出ました。

水素を晴らしたのは小さな銀河、ヘリウムを晴らしたのはクエーサーだった。一辺16億光年の宇宙を丸ごと計算した Lumina が描く、2段階の「宇宙の夜明け」

まだ決まっていないこと

Universe Today の記事は、この計算を「史上最も詳細」と書いていますが、論文の表現は「最大級のひとつ」です。再電離がなめらかに進んだのか、まだらに進んだのか、星とブラックホールの寄与の比はどうだったのか。こうした問いは、観測との突き合わせがこれからで、Lumina はそのための土台という位置づけです。

計算の割り切りもあります。星からの光がどれだけ銀河の外へ逃げるかは、水素の再電離の歴史が現実に合うように18パーセントに調整された定数です。光の速さを実際の5分の1に落として計算を軽くしているので、再電離の終わりごろの薄い領域では電離の前線の進み方に偏りが出るかもしれません。最初の世代の星（種族III）は入っていませんし、磁場も切ってあります。

データは2028年に全面公開される予定で、一部の図のデータはすでにプロジェクトのサイトで公開されています。姉妹論文として、宇宙マイクロ波背景放射の光学的厚みの場所によるばらつき、クエーサーの光度関数、銀河間ガスのかたまり具合の解析が続いています。

なお、この論文の著者は、原稿の英語の校正に AI ツールの Claude と ChatGPT を使ったと記しています。このブログの記事は Claude を使って書いているので、その点を明記しておきます。

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