【BizHankook】最近、天文学者たちはジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の観測データの中に、ビッグバン直後の非常に幼い宇宙に存在していた、巨大で鮮明な渦状腕を持つ銀河を発見した！Abell 2744銀河団の方向を観測した写真から見つかったこの渦巻き型の原始銀河は、ビッグバンからわずか15億年しか経過していない時期に存在していたものだ。
実は私たちにとって、渦巻く渦巻銀河は非常に馴染み深い存在だ。私たちが住む天の川銀河もそうであり、最もよく知られたアンドロメダ銀河も渦巻銀河である。これほど当たり前で一般的な銀河の形が、単に遠い宇宙で見つかったというだけなのに、なぜ天文学者たちは今回の発見にこれほど注目しているのだろうか？
それは、私たちがまだ銀河の渦状腕がどのように作られるのかを正確に理解できていないからだ。さらに驚くべきは、今回発見された銀河「A2744-GDSp-z4」が、あまりにも早い段階で鮮明な渦状腕を纏っている点だ。天文学者たちは、銀河がはっきりとした渦状腕を形成するには数十億年が必要だと考えていた。ところが、宇宙の年齢が現在の10分の1しかなかった時代に、天の川銀河の3分の1の大きさ（直径3万2000光年）である原始銀河が、非常に明確な「グランドデザイン（壮大な設計）」の渦状腕を纏っているのだ。これは、銀河の渦状腕が想定よりもはるかに速いスピードで形を成す可能性があることを示唆している。
渦状腕は、観測される円盤銀河のほぼ大半、70%以上で見られる非常に一般的な現象だ。しかし、私たちは依然としてその渦状腕の正確な起源とメカニズムを知らない。一体この渦状腕はどうやって形成されるのか？銀河の華麗なコズミック・ラテアートは、どのように描かれているのだろうか？
銀河の渦状腕は古くから知られていた。銀河という言葉があまり使われていなかった時代からだ。20世紀以前、人類にとって宇宙とは天の川銀河が全てだった。夜空に時折見える渦巻くガス雲は、巨大な天の川銀河に含まれる小さな雲程度だと思われていた。1840年、天文学者ウィリアム・パーソンズは、今日「子持ち銀河」としてよく知られるM51の細かな様子をスケッチとして記録した。当時、天文学者たちはこのように渦状腕が巻き付いたガス雲を「渦状星雲」と呼んでいた。
その後、天文学者ハッブルの発見を通じて、アンドロメダをはじめとする渦状星雲が天の川銀河の外にある別個の宇宙であるという事実が明らかになった。外部銀河を認識し探求する銀河天文学の復興期がこの時に始まった。ハッブルは写真の中の銀河の形態に従い、丸い楕円銀河と渦状腕を描く渦巻銀河に分類する体系を作った。渦状星雲は、これより「渦巻銀河」と呼ばれるようになった。
長い間、天文学者たちは銀河の渦状腕が一つの固定された構造だと考えていた。渦状腕に属する星は、ずっとその腕に留まったまま動くと思われていたのだ。しかし、問題があった。天文学者ヤン・オールト（オールトの雲の提唱者）が同僚のリンドブラッドと共に銀河円盤内の星々の動きを研究した結果、太陽周辺の星々に比べ、銀河中心にある星々の方がはるかに速く回転している事実を発見したのだ。私たちの太陽と周辺の星々が銀河円盤を一周するのに2億年かかるが、銀河中心の星々は20年もかからない短い周期で高速で旋回していた。
同様に天文学者たちは、渦状腕においても銀河中心に近い部分と遠い部分では速度が極端に異なると考えた。その場合、渦状腕は内外の回転速度が全く異なるため、次第に巻き込まれていくという問題が発生する。しかし実際には、どの渦巻銀河を見ても、渦状腕が次第にきつく巻き付いていくような現象は見られなかった。ただ、大きく美しい渦状腕の形を維持し続けているだけだった。これを渦状腕の「巻き込み問題（Winding problem）」と呼ぶ。
1964年、この渦状腕の巻き込み問題を解決する非常に画期的なアイデアが提示された。興味深いことに、銀河の渦状腕で起こるのと全く同じ現象を、渋滞した高速道路に見出すことができる。道路を走っていると、特定の区間で突然車が渋滞する経験をすることがある。特に理由もないのに交通渋滞が維持される現象を「幽霊渋滞」と呼ぶ。その理由は単純だ。道路上のどこかの車が突然ブレーキを踏んだと仮定しよう。するとその後の車両も順にブレーキを踏み始める。最初に渋滞を引き起こした車両は再び加速して渋滞区間を抜けていくが、一度始まった渋滞という「波」はその後ろにずっと続いていく。
ここから興味深い事実がわかる。交通渋滞区間に同一の車両がずっと留まっているわけではないということだ。言い換えれば、交通渋滞区間は実際の道路やその上を走る自動車とは無関係な、一種の「波」なのだ。道路の上に存在する硬い構造物ではない。すべての車両はそれぞれの速度で走り、交通渋滞区間に一時的に進入しては再び抜けていく。どの自動車も交通渋滞区間にずっと留まることはない。このような現象を「密度波」と呼ぶ。密度の高い区間がまるで波のように維持されるという意味だ。
銀河円盤において何らかの理由で星々の軌道が重なり、密度が高まる「密度波」区間が形成されれば、安定的に巨大なグランドデザイン渦状腕を維持できる。この仮説が正しければ、多くの銀河が見せる鮮明な渦状腕は、数十億年、いや100億年以上も続く星たちの高速道路における「交通渋滞現場」と見なすことができる。渋滞に巻き込まれた時、このように考えると、ふと自分が巨大な渦状腕の真ん中を一時的に通り過ぎる星になったような気分になる。
しかし、密度波理論は一度形成された渦状腕がどのように長年その形を維持できるのかについては説明するが、肝心の渦状腕が「最初」にどのように始まったのかは教えてくれない。つまり、一度始まった交通渋滞がなぜ今まで消えずに続いているのかは説明するが、そもそも誰が何をすればそんな渋滞が始まったのかまではわからないということだ。
これを補完するために、一部の天文学者たちは銀河円盤で絶えず爆発と誕生を繰り返す星々の激しい一生の中に原因を求める。1976年に天文学者のマーク・ミューラーとデビッド・アーネットによって初めて提示された非常に興味深いモデルだ。銀河円盤はガス物質が特に密集しているため、新しい星が次々と誕生する。その中で重い星は進化をより早く終え、最終的に超新星爆発を迎える。この時発生した衝撃波が周辺の円盤ガス物質に広がり、衝撃波に押されたガス物質が再び高い密度に圧縮され、また別の新しい星の誕生へとつながる。円盤の一か所で起きた重い星の超新星爆発が、次々とその周辺の円盤で新しい星の誕生とまた別の超新星爆発を引き起こすのだ。
この過程が起きている間、当然ながら新しく生まれた星と超新星もすべて銀河円盤の上を回っている。そのため、衝撃波が次第に円状に銀河円盤を巻き込みながら広がり、最終的には銀河円盤全域に星の密度が特に高い領域が渦巻き状に形成される可能性がある。確率的に次々と新しい星が誕生して爆発することを繰り返しながら渦状腕が自ら成長していくという意味で、このモデルを「Stochastic Self-Propagating Star Formation」、略してSSPSFモデルと呼ぶ。
しかし、このモデルも十分とは言えない。最近の様々な高解像度シミュレーションによると、SSPSFモデルで説明される渦巻銀河は、通常、かすかで細い渦状腕がいくつも巻き付いた不規則な形態の銀河が大部分である。2〜3個の大きく鮮明な渦状腕を見せる「グランドデザイン」渦状腕は、うまく説明できない。
それでは、密度波理論とSSPSFモデル、どちらが正しいのか観測的に検証することはできないだろうか？興味深いことに、密度波理論は非常に重要な予測を提示する。渦状腕を星の「交通渋滞区間」のように説明するこの理論は、渦状腕が銀河円盤を巻き込みながら移動し、その周辺のガスを圧縮して新しい星を作ると予測する。
この時、質量の軽い星から重い星まで様々な星が誕生する。重い青い星は素早く進化を終えて超新星爆発と共に消え去る。一方で、質量の軽い温和な赤い星は長く生き残り、生まれた時の密度波区間から少し遠くに離れることができる。したがって、密度波理論によれば、銀河の渦状腕に沿って星々が全体的に青い光から赤い光へと変化する、星の色や年齢の勾配（グラディエント）が観測されるはずだ。
これは密度波理論を観測的に立証できる、非常に直感的で重要な予測だ！そしてこれまで数多くの観測研究がこの理論の検証を試みてきた。私も非常に関心を持って研究している分野の一つだ。しかし困ったことに、研究によって結果が異なる。一部の銀河は密度波理論が予測する通り、鮮明な星の色分布を見せるが、そうでない銀河もある。正反対の傾向を示す銀河さえある。このような状況を説明するため、一部の天文学者は「一部の銀河では渦状腕が逆回転しているのではないか」という仮説を検討したほどだった。
実際、渦状腕には星やガス雲だけでなく塵が非常に多いため、塵によって星の光が暗くなる現象を慎重に考慮しなければならない。最近打ち上げられたジェイムズ・ウェッブのような宇宙望遠鏡は、特に視界を遮る塵を貫いて中を覗き込める赤外線で観測を行う。そのため、追加の観測を通じて密度波理論をより体系的に検証できると期待されている。
スーパーコンピュータを活用した超高解像度の宇宙論的シミュレーション研究が一般的になり、銀河の進化を描く方式も大きく変わった。今や天文学者は、どんな銀河も一人で孤独に進化するとは考えない。すべての銀河は、周辺の大小様々な銀河とぶつかったり、かすめたりするような多様な相互作用を経験してきたからだ。
過去、コンピューティング能力が不足していた頃は、周辺に何もない孤立した理想的な仮説銀河を作成し、渦状腕を再現するシミュレーションを行っていた。しかしこれは、銀河が複雑に相互作用する現実の宇宙を全く反映していない。今、天文学者たちは「巨大な銀河の周辺を漂う小さな衛星銀河の流入や衝突が、おそらく銀河円盤に波紋を引き起こし、そうして始まった星々の波紋が今まで続きながら巨大なグランドデザイン渦状腕を形成したのだろう」と推測している。
だが、この方式には十分な時間的猶予が必要だ。今回発見された原始渦巻銀河は、宇宙の年齢がわずか15億年しかなかった時に存在していた。銀河が一つ形成され、平らな円盤を作り、その後渦状腕が作られ始めて二つの鮮明なグランドデザイン渦状腕に成長するまでのすべての過程を考えると、15億年という時間はかなりタイトだ。
この混乱を解決するには、今回発見された銀河が単に運が良かっただけなのか、それとも宇宙の果てには鮮明な渦巻銀河が非常にありふれているのかを確認しなければならない。より広い初期宇宙の地図を観測し、その中でどれだけの銀河が渦状腕を纏っているのか、膨大な統計的研究が必要だ。
すでに3年以上も素晴らしいデータを送り出しているジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡をはじめ、間もなく観測データの公開を控えているユークリッド宇宙望遠鏡、来年最初の観測テストを行うベラ・ルービン天文台に至るまで、毎日数十テラバイトに達する膨大なデータが間もなく溢れ出ることになる。これを通じてビッグバン直後の初期宇宙から、近い今日の宇宙に至るまで、渦巻銀河の比率がどのように変化し、渦状腕の大きさや規模がどう変遷してきたのかを分析すれば、渦状腕の正確な起源を解き明かせるようになるだろう。
参考
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2024arXiv241204834J/abstract
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1926ApJ....64..321H/abstract
筆者チ・ウンベは？猫と宇宙を愛する。幼い頃『銀河鉄道999』を見て、宇宙の美しさを伝えたいという夢を持った。現在は延世大学銀河進化研究センターおよび近宇宙論研究室で銀河の相互作用による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。『サムに乗る天文台』、『一日中宇宙のこと』、『星、光の科学』などの著書がある。