[비즈한국] リンゴ。人類の歴史を変えたリンゴは合計4回登場する。1回目は、しばしばリンゴとして表現されるアダムとイブの禁断の果実。2回目は、セザンヌの静物画に描かれたリンゴ。3回目は、スティーブ・ジョブズのApple。そして4回目は、アイザック・ニュートンの頭の上に落ちたリンゴだ。
私たちは、ニュートンが単に頭の上に落ちたリンゴを見て、リンゴを引っ張る地球の重力を発見したと教わることが多い。しかし、そうではない。ニュートンが代表する科学革命の真の意味は別にある。ニュートンは、リンゴを引っ張る地球の重力と、空に浮かぶ月をつなぎとめている地球の重力が、本質的に同じであることを悟ったのだ。これは非常に大きな飛躍だった。
それ以前まで、人類にとって物理学は2つあった。地上界のための物理学と、天球界のための物理学である。地上と天球は、構成物質から作動原理まで異なる世界だと考えられていた。しかしニュートンは、二分されていた世界が実は一つの原理で動いていることを証明した。地上と天球を理解するために、2冊の物理学の教科書はもはや必要なかった。たった一つの統一された物理学だけで、大地と宇宙のすべてを説明できるようになった。かつて区別されていた2つの世界を一つにしたこと、大地と空の双方が同一の物理法則に支配されているという事実を突き止めたことこそ、ニュートンの科学革命が持つ真の価値だ。
今や私たちはより大胆になった。地球で経験し解明した重力が、数千万、数億光年先にある銀河でも同じように働いていると信じている。その確信は証明された。重力は木にかかったリンゴや空の月を越え、5700万光年先にある銀河に至るまで変わらぬ姿を見せてくれる。
最近、ハッブル宇宙望遠鏡が捉えた銀河「LEDA 1313424」の姿をご覧いただきたい。非常に特徴的だ。単に2、3本の渦状腕が巻きついているレベルではない。内側から外側まで、丸いリングがいくつも同心円を描いている。まるで巨大な的のようだ。そのため、天文学者たちはこの銀河を「的銀河（Bullseye galaxy）」と名付けた。
この銀河は以前にも他の望遠鏡で捉えられたことがあったが、これほど独特な姿だとは想像されていなかった。最初に銀河の姿が確認されたデータは、2.5mの望遠鏡で全天の地図を作成するスローン・デジタル・スカイ・サーベイ（SDSS）によるものだ。SDSSの写真の中で的銀河は非常にぼやけており、かろうじてリングが2つほど確認できる程度だった。実際、この姿だけでは、この銀河がこれほど驚くべき姿を隠していると期待するのは困難だった。外郭にリングを1、2個持つ銀河の姿はそれほど珍しいものではないからだ。
一般的に観測されるリング銀河は、中心に明瞭な棒状構造を持っている。棒状構造は、銀河中心部の星の軌道が長く歪んだまま共鳴を起こして重なることで作られる。このような銀河棒は、外側のガス物質を銀河中心部へと引き寄せる。すると棒状構造の端でガスが高い密度で圧縮され、新しい星が生まれる。その間、棒も銀河自身と一緒に回転し、棒の縁に沿って新しく生まれた星が円形に分布するようになる。このように、棒状構造はリングの形態を作り維持する主要なメカニズムとして知られている。しかしこれでは、内外にリングを2つ程度抱えた銀河しか説明できない。
天文学者たちは、SDSSよりも高い解像度で銀河を観測したレガシー・サーベイのデータを分析した。このサーベイは、チリのセロ・トロロ汎米天文台にある直径4mのブランコ望遠鏡で宇宙の光を捉えている。そのおかげで、的銀河を取り巻くリングを4つまで確認できた。しかし、これで終わりではなかった。観測画像のコントラストを極端に引き上げて精細に分析した結果、銀河を取り巻くリングをなんと7つまで確認したのだ。これまでどのリング銀河でも見たことのない圧倒的な数である。この時から的銀河は、もはや平凡な銀河ではなくなった。
この銀河の秘密を暴くため、天文学者たちはハッブル宇宙望遠鏡で再び的銀河を狙った。ハッブル宇宙望遠鏡は地球の大気による妨害を受けないため、より鮮明に、そしてより暗いリングまで捉えることができる。驚くべきことに、ハッブルが撮影した写真を見ると、リングが少なくとも8つ確認できるのだ！一体これほど複雑で華やかな姿の銀河が、どのように存在し得るのだろうか？
幼い頃のニュートンの頭の上にリンゴが落ちたように、この銀河に向けて10億年前に何かが落ちた。もともとこの銀河は今のような複雑なリングを抱えてはいなかった。平凡な銀河だったのだ。ところが10億年前、別の小さな銀河一つが、銀河の中心をほぼ貫通するように通り過ぎた。銀河同士が正面衝突したのである。これは池にリンゴを投げ込んだとき、四方八方に波紋が広がっていくのと似ている。今回の発見がさらに驚くべき点は、2つの銀河の正面衝突による的銀河の説明が、単なる想像に基づく仮説にとどまらないという点だ。非常に数学的かつ物理学的な計算に基づき、確実な証拠が確認されたのである。
以前、天文学者たちは、巨大な銀河に向けて別の小さな銀河が正面衝突して貫通した際、衝撃波がどのように四方へ広がっていくかについて、簡単な数学モデルを計算していた。静かな湖にリンゴを投げ入れたときに広がる波紋を思い出してみよう。最初に形成される最初の衝撃波が最も早く四方へ広がり、続いて内側に少し小さな2番目の波紋が発生する。その間に先に広がった最初の波紋はより広い半径へと広がり、次第に薄れていく。またその間に、さらに内側で3番目の小さな波紋が起きる。このようにして、最も外側に広がった最初のリングから内側へ向かうにつれて、より小さなリングが次々と作られる。
天文学者たちは、外側にあるリングとそのすぐ内側にあるリングの半径は、非常に一貫した数学的比率を持つはずだと推測した。これを式で表すと非常に単純に表現できる。R(i)/R(i+1)=(2i+1)/(2i-1)
ここでiは何番目のリングかを示す。最も外側に最初に広がったリングが1番目のリングであり、その次に内側に作られたリングが2番目となる。例えば、最も外側の最初のリング（i=1）が2番目のリングに比べて何倍大きいかを計算してみよう。i=1を代入して（2*1+1）/（2*1-1）=3/1、つまり3倍大きいという結果が出る。同様に、2番目のリングが3番目のリングに比べて何倍大きいかを計算してみよう。i=2を代入して（2*2+1）/（2*2-1）=5/3=1.67、つまり1.67倍大きいことになる。3番目のリングは4番目のリングに比べて1.4倍大きい。このようにしてiを1から順に増やしていき、連続して作られた内側のより小さなリングが何倍ずつ小さくなるべきかを数学的に正確に予測できる。
これに基づき、天文学者たちはハッブルで撮影した的銀河の写真の中のリングが、正確にこの比率に従っているかを分析した。しかし問題がある。ハッブルで撮影した写真の中の的銀河の最も外側のリングが、本当に最初に作られた1番目のリングであるかは確信できない。このリングよりもはるか昔、より広い半径まで広がった大きなリングがあったかもしれないからだ。そこで天文学者たちは、写真に写った最も外側のリングが1番目である場合、あるいは2番目、3番目である場合など、様々な状況を想定して連続するリングのサイズ比を比較した。そして、最も外側のリングを何番目と仮定したときに、数学的に予測された比率と観測されたリングの比率が最もよく一致するかを確認した。その結果は驚くべきものだった。
ハッブルの写真に収められた的銀河の最も外側のリングを3番目のリングと仮定した場合、観測されたより小さなリングたちのサイズ比が、数学的な予測に完璧に従っていた。言い換えれば、写真には写っていないが、より外側にさらに巨大なリングがすでに広く広がっているという意味だ。ハッブルの写真に写った8つのリングがすべてではなかった！より外側に9番目、10番目のリングが存在しているはずなのだ。
今回のハッブル観測で撮影された写真の中の的銀河の最も外側のリングが3番目のリングであるため、すぐその外側にあるはずの2番目のリングは、今の3番目のリングに比べて1.67倍広い半径で広がっていなければならない。天文学者たちは、本当に外側に広く広がったリングが隠れているかを確認するため、追加観測を行った。ハワイのケック望遠鏡による観測、そしてドラゴンフライ望遠鏡による観測で的銀河を眺めた。ちなみにドラゴンフライ望遠鏡は、その名の通り望遠鏡のレンズ48枚が集まり、まるでトンボの目のように宇宙を見つめる。非常に淡く暗く広がった雲の跡まで鮮明に見ることができる。
驚くことに、天文学者たちはドラゴンフライの観測を通じて、まさに予想したその場所でより広く広がっている2番目のリングの跡を確認した！ハッブル写真に写った計8つのリングだけでなく、その外側にあると期待した9番目のリングが実際に存在していたのだ。はるか昔に銀河の外側へ向けて丸く広がりながら、このリングは非常に薄くなっていた。そのため、はるか遠くにある背景銀河と区別がつかないレベルである。しかし、一度に48枚のレンズで銀河を観測するドラゴンフライ・サーベイのおかげで、密集した背景の星々を背にしたまま、薄いガスの尾の跡を確認することができた。
これは、それよりもさらに遠い10番目のリングも存在する可能性があることを意味する。まさにこの的銀河を誕生させた太初の銀河間正面衝突が起きたその瞬間、最も先に四方へ広がりながら薄く消えていった1番目のリングのことだ。
天文学者たちは、はるか昔にこの的銀河のど真ん中を貫通して飛んでいった犯人が誰かも突き止めた。ハッブル写真の中で左の中央に青く光っているぼやけた銀河が犯人であると推測される。銀河のスペクトルを分析した結果、この青い銀河は的銀河と似た距離にあり、高速で遠ざかっている最中だ。現在の2つの銀河の距離と速度を考慮すると、この青い銀河は約10億年前に的銀河を貫通しながら、今のような独特な同心円の波紋を引き起こしたと見られる。
このような激しい正面衝突の末、的銀河は広く広がりながら乱れている。すでに我々の銀河に比べて2倍も広い25万光年もの幅に広がり、銀河の表面輝度が著しく暗くなっている最中だ。実際、宇宙には星々があまりに広い領域に広がっているため、これが銀河なのか背景宇宙なのか区別さえつかないほど暗く見えるぼやけた銀河が存在する。このような銀河を「表面輝度が非常に低い銀河（Low surface brightness galaxy）」と呼ぶ。
天文学者たちは、今回の的銀河で数学的に極めて正確に立証された銀河間正面衝突の余波が、まさにこのような薄い銀河を作る鍵であると推測する。かつてニュートンが我々に教えてくれた教訓、宇宙においてすべての物理法則は同一に適用されるという教えが、再び宇宙、そして銀河の最もミステリアスな秘密を解く鍵となった。
リンゴと言えば思い浮かぶもう一つの有名な逸話がある。名射手ウィリアム・テルの物語だ。伝承によると、彼は息子の頭の上に載せたリンゴを矢で正確に射抜いたという。ニュートンは400年以上にわたって驚異的な的中率を見せる最高の名射手と言えるだろう。400年前にニュートンが放ったリンゴという小さな矢は、地球の重力を離れて月に到達し、今や5700万光年先にある巨大な銀河の真ん中に的中した。銀河を貫いたリンゴが残した波紋が丸く広がることで作られた的銀河の波紋を眺めながら、私たちはより遥かな宇宙に向けて変わらず飛び続けているニュートンのリンゴに思いを馳せる。
参考
https://www.stsci.edu/contents/news-releases/2025/news-2025-006
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad9f5c
筆者のチ・ウンベは？猫と宇宙を愛している。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つようになった。現在、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（Some）に乗る天文台』、『一日中宇宙のことを考える』、『星、光の科学』などの著書がある。