[비즈한국] 宇宙には実に多様な銀河が存在する。銀河は通常、その形状によって大きく2つに分類される。まず、星々がふんわりと球状に分布する「楕円銀河」がある。楕円銀河の中の星々は、銀河中心のブラックホールを中心にそれぞれが無作為な軌道で公転している。ハチの群れがブンブンと飛び交う様子を見ると、全体として丸い楕円形に見えるのと似ている。次に、星々が平らな円盤状に集まっている「円盤銀河」がある。星々が一斉に同じ方向に銀河の中心周りを回転しているため、平らな円盤状を成す。通常、円盤銀河は大きく美しい渦巻腕を描くため、「渦巻銀河」とも呼ばれる。
しかし、宇宙にはこれら2つの分類だけでは定義が難しい、奇妙な形の銀河も存在する。その中でも最も代表的な銀河を挙げるとすれば、巨大なドーナツのように鮮明な環状構造を持つ「ホーグの天体」を挙げることができる。
約6億光年の彼方にあるホーグの天体も、れっきとした銀河である。我々の天の川銀河のように無数の星々が集まっている。この独特な環状の天体は1950年に初めて発見された。しかし、あまりにも形状がユニークだったため、発見当時は天文学者たちもこれが銀河だとは思わなかった。実際にこの天体を最初に発見した天文学者アーサー・ホーグ自身も、これは環状の「惑星状星雲」だろうと考えていた。
惑星状星雲とは、太陽のようにそれほど重くない星が進化を終えて崩壊する際、周囲に物質を放出することで残る残骸である。惑星状星雲は、星の自転や連星かどうかなど、様々な複雑な条件によって千差万別な形を作り出す。その中でも環状は比較的シンプルな部類に入る。名前の通り巨大な環の形をしている「環状星雲」がその代表例だ。ホーグは最初、この不思議な銀河を発見したとき、遠くで見つかった単なる別の環状星雲だと考えた。
また、別の可能性も提示した。重い銀河によって周囲の時空が歪められて作られた「重力レンズ」の像かもしれないと考えたのだ。実際に、レンズの役割を果たす天体とその向こう側の背景天体がほぼ一直線上に並ぶと、背景天体の虚像がレンズとなる天体を完璧に丸く取り囲む姿を見ることができる。
しかし当時の技術では、写真の中の中心部と外側の丸い環がそれぞれ地球からどれほど離れているかを確認する方法がなく、重力レンズだろうというホーグの推測も仮説にとどまった。実際、適切な重力レンズ像の観測は1990年にハッブル宇宙望遠鏡が打ち上げられてから本格的に可能になったことを考えると、宇宙望遠鏡どころか人工衛星を打ち上げることも困難だった1950年に、地上望遠鏡での観測だけで重力レンズ像かもしれないと推測したホーグの洞察は非常に大胆に感じられる。
その後1987年、ついにホーグの天体についてより詳細な研究が行われた。内側の中心部と外側の環の部分のスペクトルを観測した結果、両者とも同じ赤方偏移を示した。これは中心部と外側の環がいずれも同じ距離にある一つの天体であることを意味する。もしホーグが慎重に提案したように、これが本当に重力レンズによる像だったならば、外側の環はぼやけて崩れた姿で見えるはずである。はるか遠くにある背景銀河のはずだからだ。しかし、その後に行われた観測画像を見ると、環の部分も個々の星と星団が鮮明に区別される。これはそれほど遠くない距離にある銀河の一部であることを示している。
ホーグの天体の中心部は特に黄色く輝いている。比較的年齢が高い、ぬるい星々が高い密度で銀河中心部に集まっているためだ。それに比べ、外側の環は青く白く輝いている。より最近生まれた若くて熱い星々で環が構成されている。中心の銀河核と外側の環は明確に区別されており、その間は何も存在しないかのように空っぽだ。まさにこのため、単なる円盤銀河や渦巻銀河に分類するのが難しい。一般的な円盤銀河と呼ぶには、円盤の中が空洞すぎるのだ。誰かがピザの具だけを全部食べ、丸いパンの耳だけを残したかのように見える。
天文学者たちはやむを得ず、ホーグの天体のような極めて稀な例外を「環状銀河（リング銀河）」と呼んでいる。似たような他の代表的な銀河にはNGC 1291がある。
環状銀河と似たものに「極環銀河（ポーラーリング銀河）」と呼ばれる銀河があるが、名前は似ていても両者は厳然と異なる。極環銀河はその起源がある程度解明されている。極環銀河は、平凡な2つの銀河が互いの重力に引かれ、衝突と相互作用を繰り返す過程で環が形成される。銀河衝突の結果は、各銀河の質量、抱えているガスの量、そして衝突する角度と速度によって多様である。極環銀河も非常に劇的な事例の一つだ。衝突する2つの銀河が互いに突き刺さるような姿をしている。これも印象的ではあるが、ホーグの天体とは明らかに異なる。極環銀河はホーグの天体のような完璧な環状銀河よりも一般的な存在だ。
それでは、この完璧な環状の銀河は一体どのようにして存在するのだろうか？これと似た別の事例として「車輪銀河（カートウィール銀河）」を思い浮かべるかもしれない。車輪銀河も中央の明るく輝く銀河核と、縁を丸く囲む環状構造を見ることができる。
実はここは非常に劇的な銀河衝突によって作られた結果である。元々平凡な円盤の形をしていた銀河に向かって、やや小さな銀河がほぼ中心部を突き抜けるように衝突した。その瞬間、四方八方に丸い衝撃波が広がり、元々あった渦巻腕はすべて乱された。月面に隕石が落ちると丸いクレーターができるように、いわば銀河版の巨大なクレーターといえる。
ただし、車輪銀河もホーグの天体とは明らかに違いがある。よく見ると、車輪銀河には名前の通り、銀河の端から核までをつなぐ数本の車輪のスポークのようなガスの流れが見える。衝突直後に破壊された渦巻腕構造が再び復元される過程の姿だ。
極環銀河や車輪銀河と比較すると、ホーグの天体は銀河中心部と端の環の形が非常にきれいに分離されている。その間には本当に何もないように見える。さらに端の環も全く非対称だったり歪んだりしていない。完璧で秩序ある環を描いている。天文学者たちは、どのようにしてこのような完璧な環が宇宙に存在できるのか、まだ明確にはわかっていない。
いくつかの仮説はある。その一つは、実はこの銀河が中心に棒状構造を持つ「棒渦巻銀河」だったという仮説だ。銀河中心の棒状構造は、銀河が抱えているガス物質を中心部に吸い込みながら、銀河内の質量分布を変形させる重要な役割を果たす。周囲の他の銀河と直接衝突しなくても、棒状構造を持つ銀河は単独でも形状がはるかに動的に変化し得る。
この仮説によれば、大昔にこの銀河中心に存在した棒状構造を通じて、星の円盤に存在した多くのガス物質がすべて銀河中心に密集した。その結果、端には丸い一部だけが残り、中心には老いた星々が集まった黄色い核が形成されたというものだ。最初に話したように、まさに中心の棒状構造が、元々円盤を満たしていた銀河ピザの端だけを残して全部食べてしまったようなものだ！
この仮説は一時期注目されたが、残念ながら現在、天文学者たちの支持はあまり得られていない。通常、銀河中心の棒状構造によって銀河の形が変わると、中心には完璧に丸い核ではなく、より大きく歪んだ楕円形の銀河核が残るからだ。また、依然として銀河の外側の環の部分で星々が完璧に丸い円軌道を維持しながら回転しているため、大昔の棒状構造によって星とガス物質の力学的な動きが変形され、今の形になったという説は力を失った。
元々は平凡な小さく丸い銀河が周囲の他の銀河から物質を奪い取り、外側に丸い環の形を形成した可能性もある。しかし、直径6万光年に達する巨大なホーグの天体の端の環は、我々の天の川銀河よりも多くのガス物質を抱えている。したがって、一度にこれほど大量のガス物質が外部から流入したとは考えにくい。この美しく独特な風景がどのように存在するのかは、依然として興味深いミステリーとして残っている。
先ほどのホーグの天体の写真は、ハッブル宇宙望遠鏡が2001年7月9日に撮影したものだ。写真を注意深く見ると、驚くべきことにホーグの天体の巨大な環の1時の方向に、遠くにもう一つ別の似たような環状銀河が偶然重なっているのが見える。宇宙全体の銀河のうち0.1%しかないと推定される独特な環状銀河が、1つではなく2つも偶然同じ方向に重なって見えるとは！実に驚くべき偶然だ。近い宇宙と、はるかに遠い宇宙、距離が全く異なる2つの場所で絶妙に2つのホーグの天体が重なって見える様子は、確率が極めて低くとも、この広大な宇宙であればいつかどこかでその出来事が起きているという事実を示しているようだ。極めて希な確率であっても、宇宙の巨大なスケールはその確率の低さを相殺するほど強力なのだ。
筆者のチ・ウンベは？ 猫と宇宙を愛する。幼い頃『銀河鉄道999』を見て、宇宙の美しさを広める夢を持つようになった。現在は延世大学銀河進化研究センター及び近宇宙論研究室で、銀河の相互作用を通じた進化を研究しており、講演や執筆など多様な科学コミュニケーション活動を行っている。『サム・タヌン（駆け引きする）天文台』、『一日中宇宙を考える』、『星、光の科学』などの著書がある。