[비즈한국] 最近、ユークリッド宇宙望遠鏡で撮影された天の川銀河中心部の超高解像度画像が公開された。可視光線で撮影された天の川銀河中心部の写真としては、これまでで最も広範囲かつ詳細な画像の一つである。公開された高解像度ファイルのサイズは約2万7000×2万2500ピクセルで、約6億画素に達する。空を占める面積も、地球から見た満月20個分以上を合わせたものより広い。
この一枚の写真の中だけで、6000万個を超える星が収められている。星雲や星団、黒い塵雲、青い星々が新たに生まれる星形成領域もいたるところに隠れている。私たちが一般に天の川と呼ぶ淡い光の帯が、実際にはどれほど多くの星と塵、ガスで構成された巨大な構造であるかを示している。
ユークリッド宇宙望遠鏡は、本来天の川銀河を観測するために作られた望遠鏡ではない。暗黒物質と暗黒エネルギーの痕跡を探すため、天の川銀河の彼方にある遠い宇宙の銀河を観測するように設計された望遠鏡だ。しかし今回は視線を近い宇宙に向け、星が最も密集している天の川銀河の中心部を見つめた。
この写真は、3月23日から9回にわたって約26時間観測した結果を集めたものだ。個別に撮影した写真を繋ぎ合わせ、巨大なモザイク画像を完成させた。個々の写真一つひとつも、満月より広い空を収めている。
ユークリッドの可視光カメラはハッブル宇宙望遠鏡の広視野カメラと同程度の解像度を持ちながら、一度に収められる空の面積はハッブルより約270倍広い。同じ領域を地上の大型望遠鏡で観測しようとすれば、2000時間近くかかる可能性がある。
ユークリッドが撮影した銀河中心部の画像は、今後打ち上げられる他の宇宙望遠鏡にとっても重要な事前データとなる。ナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡は、天の川銀河中心部で系外惑星が引き起こす微小重力レンズ現象を大規模に探査する予定だ。
微小重力レンズは、系外惑星や星のような天体が遠くの背景星の前を通過する際に現れる現象だ。手前にある天体の重力が周囲の時空を歪めることで背景星の光が拡大され、その結果、星の明るさが一時的に変化する。この明るさの変化を分析すれば、系外惑星の存在だけでなく質量まで推定できる。
ユークリッドが撮影した画像には、すでに知られている系外惑星系50個余りも含まれている。今回の画像は、微小重力レンズ現象が起きる前の背景星の位置と明るさを記録した基準データとなる。時間が経過した後のローマン宇宙望遠鏡の観測と比較することで、星々の固有運動を測定し、レンズの役割を果たした天体と遠く離れた背景星をより正確に区別できる。
微小重力レンズ観測では、背景星が多いほど有利である。レンズ役となる天体が背景星の前を通過する可能性がそれだけ高まるからだ。実際、微小重力レンズを利用した系外惑星探査は、星が密集した天の川銀河中心部を主に狙う。
しかし、天の川銀河中心方向には系外惑星よりもはるかに古い秘密も隠されている。天の川銀河のバルジ（中心膨大部）の内側には、テルザン5（Terzan 5）と呼ばれる天体がある。外見上は数多くの星が丸く集まった平凡な球状星団のように見えるが、近年の精密観測は、テルザン5が一般的な球状星団とは歴史が全く異なる可能性を示唆している。
球状星団は一般的に、非常に古い星々が球状に集まった集団だ。数十万個から多い場合には数百万個の星が、非常に狭い空間に密集している。星の大部分は約100億〜130億年前に生まれた。そのため、球状星団は宇宙初期に形成された銀河の「化石」と呼ばれている。
伝統的に球状星団の中の星々は、一つの巨大なガス雲からほぼ同時に生まれた兄弟星だと考えられてきた。最近では複数の球状星団で2世代以上の星が発見されるようになり、「多重星族」という概念が定着した。いずれにせよ、球状星団は銀河に比べてはるかに単純な星の集団として認識されてきた。
テルザン5も長らくそうした球状星団の一つと考えられてきた。この天体は1968年、フランスで活動していたアルメニア系天文学者アゴップ・テルザンが発見した。明るくて重い星団であることを考えれば、かなり遅い発見といえる。
発見が遅れた最大の理由は位置だ。テルザン5は天の川銀河中心から約2キロパーセクしか離れていないバルジの方向にある。この方向には背景星があまりに多く、星の光を遮るガスと塵雲も厚く分布している。星の光が塵に吸収されて暗く赤くなる「星間減光」が非常に激しいため、観測が困難な地域だ。
テルザン5の質量は太陽質量の200万倍を超えるものと推定される。天の川銀河に存在する球状星団の中でもかなり重い部類に入る。さらに驚くべき点は、これまでこの天体で発見されたミリ秒パルサーが40個を超え、ほぼ50個に達するという事実だ。知られている球状星団の中で、最も多くのミリ秒パルサーを抱える天体の一つである。
ミリ秒パルサーは、1秒間に数百回回転する中性子星だ。古い中性子星が伴星から物質を吸い込み、再び高速で回転するようになった天体と解釈される。星の密度が高い球状星団では、星と星が近くをかすめたり、互いに入れ替わったりすることが頻繁に起こる。テルザン5にミリ秒パルサーが異常に多い現象は、ここが非常に重く、密度の高い環境であったことを示している。
しかし、テルザン5の真の特異性は、星々の化学組成から明らかになる。一般的な球状星団では、星々の鉄含有量が比較的均一である。同じ時期に同じガス雲から生まれた星々であるため、大体同じ程度の金属含有量を持つ。
テルザン5はそうではない。星の鉄含有量を示す指標である[Fe/H]が約-0.8から+0.3という広い範囲に分布している。さらに、鉄含有量の分布が一つの緩やかな山を作るのではなく、特定の区間ごとに星の数が増え、複数の山が現れる。
このように金属含有量の分布が広く複雑なケースは、一般的な球状星団では珍しい特徴だ。これはテルザン5の星々が、小さな星団内でほぼ同時に生まれた同年代の星ではないことを意味する。むしろ天の川銀河バルジ自体と似た化学的進化の歴史を辿ったものと見られる。
星々の色と明るさを同時に表した「色等級図」でも同じ手がかりが見られる。星は一生の大半を主系列段階で過ごし、年をとると主系列を離れる。したがって、異なる時期に生まれた星々が共存していれば、主系列から離れる位置である「主系列ターンオフ点」も世代ごとに異なって現れる。
先述のハッブル宇宙望遠鏡とヨーロッパ南天天文台の超大型望遠鏡VLTを利用した観測では、テルザン5に少なくとも二世代の星が存在することが確認された。一つの世代は約120億年前に生まれた金属含有量の低い星々で、別の世代は約40億〜50億年前に生まれた金属含有量の高い星々であった。約70億年の時間差をおいて生まれた星々が一つの天体に同居しているのだ。
最近のジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の観測は、テルザン5の星族がこれよりもはるかに複雑であることを示した。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の近赤外線カメラNIRCamは、テルザン5を近赤外線で観測した。近赤外線は可視光線よりも塵の影響を受けにくいため、銀河中心部のように塵が厚い地域を研究するのに特に有利だ。
ここに20年以上蓄積されたハッブル宇宙望遠鏡の観測データが組み合わされた。時間間隔を長くとった観測は、星々が空を移動する「固有運動」を測定するのに有利である。これを通じて、実際にテルザン5に属する星と、偶然同じ方向に位置するバルジの背景星を区別できる。
このプロセスは銀河中心部研究において非常に重要だ。テルザン5がある方向には背景星が多すぎるため、星団の構成員を正確に選別しなければ色等級図が大きく歪む可能性がある。星団に属さない星が混ざれば、実際には存在しないはずの星の世代が現れるように見えることもある。
塵雲の影響も位置によって異なる。同じ観測領域内でも、塵が多い場所に位置する星はより暗く赤く見える。このような差分的減光を適切に補正しなければ、年齢と化学組成が同じ星同士も、別の集団のように見えてしまうことがある。
研究チームは固有運動を利用してテルザン5に属する構成員を選別し、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の精密な近赤外線観測を利用して、星一つひとつに及ぶ塵の影響を補正した。その結果、これまでで最も精密なテルザン5の色等級図が完成した。
分析の結果、テルザン5には少なくとも4回にわたる星誕生の歴史が混ざっている可能性がある。最も古く金属含有量が低い世代は、約125億年前に生まれた星々だ。金属含有量が高い若い世代は約47億年前に生まれた。これに加え、約38億年前に形成された別の世代が存在し、約25億年前まで新しい星が形成されていた可能性も提起された。
テルザン5は、すべての星が一気に生まれた平凡な球状星団ではなかったということだ。約125億年前、最初の星々が生まれた後、47億年前と38億年前にも新しい星々が作られ、おそらく25億年前まで星が生まれていた可能性がある。数十億年の間隔を置いて、星の誕生が何度も繰り返されたのだ。
平凡な球状星団では、こうした歴史は期待しにくい。第一世代の重い星が超新星爆発を起こせば、残っていたガスが星団の外へ押し出される。質量の小さい星団であれば、数回の超新星爆発だけでも大部分のガスが重力圏外へ飛んでしまう。その後は新しい星を作る材料がなくなり、第一世代の星々だけが残ってゆっくりと老いていく。
テルザン5は違っていたようだ。初期質量が十分に大きく重力も強かったため、星々が放出したガスや化学元素を捕らえていた可能性が高い。既存の星から作られた鉄や重い元素が完全に抜け出さずに残り、次世代の星の材料になった可能性がある。小さな球状星団というよりは、独立した化学進化を遂げた巨大な恒星系に近い姿だ。
このため天文学者たちは、テルザン5を単純な球状星団ではなく、天の川銀河バルジの「化石の破片」と解釈している。テルザン5が、天の川銀河のバルジを形成した原始的なビルディングブロック（構成要素）の一つであった可能性があるということだ。
現在私たちが目にする天の川銀河中心部が、最初から滑らかな一つの構造として形成されたわけではないかもしれない。初期宇宙の銀河円盤にはガスが豊富で、乱流も激しかった。こうした円盤が重力的に不安定になることで、太陽質量の1億〜10億倍に達する巨大なガス塊が形成された可能性がある。
これらの塊は互いに重力的に相互作用しながら銀河中心部へ移動したはずだ。中心に到達した塊同士は合体し、混ざり合いながらバルジを作った可能性が高い。しかし、すべての塊が完全に破壊され混ざり合ったわけではないだろう。一部は現在まで独立した天体として生き残っている可能性がある。
テルザン5がまさにそのような生存者である可能性がある。天の川銀河のバルジが作られる際に一緒に形成された原始的な破片だが、他の塊と完全には合体しないまま、数十億年間生き残った化石かもしれない。テルザン5の中に残っている複数の世代の星や複雑な金属含有量は、天の川銀河中心部が形成された初期歴史の一部を保存しているといえる。
テルザン5が天の川銀河の外を漂った末に流入した矮小銀河の残骸である可能性も考えられる。天の川銀河の多くの球状星団が、実際には過去に天の川銀河に吸収された矮小銀河の核や残骸であったという事実が明らかになっているからだ。
しかし、テルザン5の軌道は外部起源よりも内部起源を支持している。復元された軌道によると、テルザン5は天の川銀河中心から最も遠ざかっても2.8キロパーセク程度に留まる。銀河面から大きく外れることなく、銀河中心部にぴったりと張り付いた小さな軌道を描く。これはテルザン5が天の川銀河の外から入ってきたというより、最初から天の川銀河の内側で形成された可能性を裏付ける。
テルザン5にミリ秒パルサーが異常に多い理由も、こうした起源と結びつけて理解できる。ミリ秒パルサーが多く作られるには、まず中性子星が多くなければならない。そのためには初期のテルザン5で重い星々が大量に生まれ、超新星爆発を起こす必要がある。
超新星爆発で作られた中性子星を星団の中に繋ぎとめておけるだけの重力も必要だ。その後、星々が密集した環境で伴星の交換や近接相互作用が繰り返されれば、中性子星は新しい伴星から長い間物質の供給を受けることができる。この過程で回転速度が速くなった中性子星が、ミリ秒パルサーとして再び生まれる。
結局、テルザン5は単なる少し重い球状星団一つではない。天の川銀河中心のバルジがどのような過程を経て形成されたのかを示す重要な化石なのだ。
現在、天文学者たちはテルザン5と似た別のバルジ化石の破片候補を探している。代表的な天体が、天の川銀河中心から約800パーセク離れた「リレル1（Liller 1）」だ。この天体でも、約120億年前の古い星と、約10億〜30億年前に生まれた若い星々が一緒に発見されている。
天の川銀河バルジに存在する天体の中には、これまで球状星団として分類されてきたものの、実際にはバルジを形成した後、完全には解体されずに残った原始の破片である可能性があるものがある。外見上は丸く集まった星の集団だが、その中には一つの球状星団では説明しきれない複雑な星誕生と化学進化の歴史が残っている可能性がある。
最近の研究は、球状星団に対する伝統的な認識を様々な方向から塗り替えている。かつては球状星団を宇宙初期に一気に生まれた単純な星の集団と考えていた。しかし、一部の球状星団は天の川銀河の外から流入した矮小銀河の残骸であり、一部はテルザン5のように天の川銀河バルジが作られる際に生き残った原始の化石である可能性がある。
一部の球状星団の中心には中間質量ブラックホールが隠れている可能性も提起されている。また、球状星団の形成と進化過程において暗黒物質がどのような役割を果たしたのかを明らかにしようとする研究も続いている。球状星団は、もはや単純な「古い星の集団」だけでは説明できない天体となった。
ユークリッドが見せてくれた6000万個を超える星で満ちた天の川銀河中心部の姿は、それ自体が壮観である。しかし、その星の海を詳しく覗いてみると、天の川銀河が形成された時期の痕跡がいたるところに残っていることがわかる。
最も古い宇宙の秘密が、常に宇宙の最果てにだけ存在するわけではない。時には数多くの星の光と塵雲に隠された、天の川銀河の中心部に潜んでいる。テルザン5は天の川銀河の幼少期を抱いたまま、今まで生き残った化石の破片だ。私たちがその星々を見つめるということは、すなわち天の川銀河が初めてその姿を整えた時代の残骸を見つめることと同じなのだ。
参考
https://science.nasa.gov/asset/webb/bulge-fossil-fragment-terzan-5-webb-and-hubble-image/