[비즈한국] 「私たちは皆、星から来た」。この言葉は、カール・セーガンが語ったものとしてよく知られている。私たちの体を構成する化学成分の起源をたどっていくと、結局は数十億年前の宇宙に一時的に存在し、消えていった数多くの星や超新星に行き着く。その点において、科学的に見ても私たちは皆、星が残した成分で形作られた存在だと言える。
今ではかなり有名な天文学的叙事詩だが、意外にも私たちはこの言葉の真の意味をまだ知らない。私たちの体内の成分が星に由来するものだとしたら、一体どれほど遠く離れた星から来たものなのだろうか？ 今日の太陽系、地球で生きる私たちに貴重な生命の材料を授けて消えていった星々は、果たしてどこに存在していたのだろうか？
一見すると、現在の太陽系がある場所からそれほど遠くないところで、私たちの直系の祖先にあたる超新星が一時的に存在していたのではないかと思いがちだ。宇宙の時間がどれほど長くとも、星が抱えていた材料が広がる範囲には限界があるだろうからだ。結局、カール・セーガンのロマンチックな一言のように私たちが星とつながっているというのは美しい話だが、せいぜい数十、数百光年の範囲に私たちの物語のすべてが閉じ込められていると考えていたに過ぎない。
しかし、近年の相次ぐ発見によると、私たちは意外にもかなり広い宇宙を旅した断片が集まってできた存在かもしれない。現在私たちの体を構成する化学成分が、太陽系だけでなく、天の川銀河の彼方にある遠い宇宙を巡り巡って流れてきた可能性があるからだ。悲しいことに、私たちは依然として天の川銀河どころか地球すら自由に離れられずに生きているが、私の体を形作る断片は数十億年前、私よりもはるかに巨大な宇宙を放浪していたのである。
1963年、オランダ・ライデン大学の天文学博士課程の学生ゲイル・スミスは、天の川のそばを漂う怪しいガス雲を発見した。それは平凡な星雲と見なすには難しかった。どこかに向かって猛烈な勢いで突進しているかのような、細長いガス雲だったからだ。最初に発見した人物の名をとって、今でも「スミスの雲（Smith’s cloud）」と呼ばれている。その後、電波観測を通じて、この雲が時速112万kmという非常に速い速度で天の川銀河の周囲を漂っている事実が判明した。これは、天の川銀河周辺のハロー（暈）を高速でかき乱す超高速雲（HVC, High Velocity Cloud）の一種である。
スミスの雲は長さ1万1000光年、幅2500光年に達する。もし私たちが夜空で肉眼でスミスの雲のすべてを見ることができたなら、天の川のすぐそばに満月の幅の30倍にもなる非常に巨大なガス雲が見えるはずだ。もともと天文学者たちは、異常に速い速度で天の川銀河のハローを漂うこの雲を、当初は天の川銀河の外から流入したガス雲だと推測していた。100億年前に巨大な天の川銀河が誕生する過程で一緒に混ざりきれずに残されたガス雲、あるいは材料が十分でなく星を抱くことができなかったままガス雲として残った存在が、ようやく天の川銀河の重力に捕らえられ引き寄せられてきたものだと考えたのだ。
もしその推測が事実なら、このガス雲はこれまで特別な超新星爆発も経験していないはずであり、星が死ぬ際に残す重元素の汚れがほとんどない、きわめて純粋な状態であるはずだ。つまり、重元素はほとんど含まず、水素やヘリウム程度だけで構成されたガス雲でなければならない。
これを検証するため、天文学者たちはハッブル宇宙望遠鏡で興味深い観測を行った。スミスの雲の彼方、数十億光年も離れた背景の宇宙には、偶然にも同じ方向に重なって見える銀河が3つ存在する。これらの銀河は中心に強力なブラックホールを抱えており、強い紫外線を放出している。このように中心に活動的で荒々しいブラックホールを抱える銀河を活動銀河と呼ぶ。遠方の活動銀河から放出された紫外線が、すぐ手前にあるスミスの雲を通過する際、その一部の成分が雲の中の化学成分に吸収される。すべての化学成分は特定の波長の光を選択して吸収するため、どの波長の光が吸収されたかを見るだけで、スミスの雲の化学組成を知ることができるのだ。
しかし、驚くべき事実が明らかになった。ビッグバン直後の、ほとんど汚れのない水素とヘリウムだけで構成されているはずだという予測を裏切り、スミスの雲はかなり「汚れた」状態だったのだ。特に今回ハッブル宇宙望遠鏡が観測した紫外線領域において、明確な硫黄成分の痕跡が確認された。硫黄は太陽程度の重い星が存在して初めて生成される重元素である。これは、スミスの雲が一度も星を抱いたことのない失敗した銀河であったとか、今まさに流入してきた純粋なガス雲ではなかったことを意味する。
スミスの雲の中で明確に確認された硫黄をはじめとする重元素の存在は、実際にはスミスの雲が天の川銀河から一時的に離れ去った断片であったという事実を指し示している。すでに遠い昔から天の川銀河で繰り返されてきた数多くの星の誕生と死の中で、生命の汚れが付着した雲の断片は、押し合いへし合いの末に素早く天の川銀河の外へと追い出されたのだ。しかし、今は再び天の川銀河の重力に引かれ、故郷に戻っている最中である。約3000万年後、スミスの雲は天の川銀河に突入し、その衝撃で圧縮された雲の中で、花火のような新たな星の誕生が繰り広げられることになるだろう。
天の川銀河内部で遠い昔に頻発した超新星爆発が、このようなガス雲の放出を引き起こしたのだろう。強力な超新星爆発の衝撃波により、天の川銀河の肉片の一部が大きく剥がれ落ち、それが長い旅を終えて今戻ってきているのだ。このように一度銀河円盤の外へ押し出されたガス雲が、再び円盤へと戻り降り注ぐ現象を、銀河版の噴水として「銀河噴水（Galactic fountain）」と呼ぶ。銀河の内外で、自身の物質が数千から数万光年スケールでつながるコンベアベルトのような、巨大な銀河規模の循環システムが完成しているのである。
最近、ハッブル宇宙望遠鏡を活用した同様の追加研究により、この銀河規模の循環システムが天の川銀河だけでなく、似たような数多くの銀河でも頻繁に起きているという事実が証明された。天文学者たちは9つの遠方クエーサーを背景に、その手前で活発に星が誕生している11の銀河を観測した。同様に背景のクエーサーから放出された光が、手前の銀河周辺のハローを通過する際にどの化学成分の痕跡が残るかを比較した。その結果、すべての銀河において、銀河円盤の彼方まで炭素や酸素を含むガス物質が広がっていることが確認された。さらに銀河の外側、41万光年に達する遠方まで炭素と酸素が拡散していたのだ。
これらの銀河はすべて、自らが抱いていた超新星が残した貴重な化学的産物、すなわち生命の材料を、銀河の外、銀河と銀河の間の空虚な空間にまでまき散らしていた。その一部は再び銀河の重力に捕らえられ、数十億年の歳月を経て本来の故郷へと戻っていく。そうすることで、銀河周辺の数十万光年に及ぶ広い領域に、比較的高い濃度の重元素を含んだガス雲ハローが広がるようになったのだ。銀河と銀河の間の空間にまで染み込んだ成分の痕跡、すなわち銀河周縁媒質（CGM, Circumgalactic Medium）の存在が、実際の観測を通じてより明確に立証されたといえる。
今回の観測で確認されたCGMの存在は、私たちを一段と遠い宇宙と結びつける。炭素と酸素は地球の生命を構成する最も基本的な材料だ。そのうち原子一つを指し示し、過去138億年間にどのような旅をしてきたのかを逆に追跡すれば、天の川銀河の彼方、アンドロメダ銀河と私たちの銀河の間の空虚な空間まで旅をして戻ってきたケースもあるだろう。私たちは瞬く間に地球、太陽系、さらには天の川銀河を超え、この銀河系を丸く包み込んでいる巨大なガスハローの一員となるのである。
これまで存在した数多くの炭素原子や酸素原子の旅路を感じ取れるならば、それは本当に計り知れないほど巨大な循環の旅である。私たちが息を吸い込み、吐き出すように、銀河も呼吸をしている。生物学的な観点から見れば、銀河は生き物ではない非生命であり、星と惑星だけで満たされた死の世界と見なすこともできるかもしれない。しかし、より巨大な視点で見れば、銀河も一つの巨大な生態系、生きて呼吸する世界なのだ。私たちが銀河が何気なく吐き出した息吹の中で、偶然に花開いた存在であるという事実を、天文学は教えてくれる。
参考
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad9c69
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つようになった。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にて、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。『サムに乗る天文台』、『一日中宇宙を考える』、『星、光の科学』などの著書がある。