[비즈한국] アニメ『天元突破グレンラガン』には衝撃的なシーンが登場する。銀河を越えて銀河団、宇宙全体にも匹敵する巨大なロボットたちが決闘を繰り広げ、銀河をまるで手裏剣のように投げるシーンがある。そのシーンで銀河は、紙のように薄い円盤として描かれており、銀河が他の銀河に薄く突き刺さる様子さえある。銀河を研究する天文学者として、本当に衝撃的なシーンだ。
銀河がレコード盤でもあるまいし、これほど薄いわけがあるだろうか。ところが、最近ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が観測した銀河の姿を見ると、アニメの描写もあながち間違いではないかもしれない。天文学者たちは、ジェイムズ・ウェッブが観測した銀河の中から、非常に薄い円盤を持つ銀河111個を選び出した。これらは地球から見て横向き（エッジオン）に配置されているため、円を描く渦巻腕の代わりに、横から見た薄い形状として見える。私たちが天の川銀河の中で薄い天の川の断面を眺めるように、数億、数十億光年先に離れた遠い銀河の天の川を見たわけだ。
ところが、これらの薄い円盤銀河は驚くべき傾向を見せている。遠方の銀河では見られなかった構造が、近い宇宙に来るほど新たに形成されている様子が見られるのだ。この発見は、天の川銀河をはじめとする薄い円盤を持つ銀河たちの誕生に関する驚くべきヒントを秘めている。
実は、天の川銀河の円盤は一つではない。「薄い円盤（Thin Disk）」と「厚い円盤（Thick Disk）」が共存している。天の川の中央を形成する薄い円盤は、厚さが1000光年ほどだ。主に太陽のように比較的最近誕生した若い星々から構成され、酸素や炭素などの重元素の含有量が高い。厚い円盤は厚さが3000光年に達し、はるか昔に誕生した古い星々が主流である。そのため金属含有量がはるかに低い。星々が爆発した後に残した重元素の量が少ないからだ。
一般に円盤銀河といえば薄い円盤だけを思い浮かべがちだが、宇宙に存在する銀河円盤の3分の2以上が厚い円盤も併せ持っている。特に銀河円盤の厚さや規模によって、各円盤を構成する星の世代や元素含有量が明確に異なるため、厚い円盤と薄い円盤がどのように共存し得るのか、各円盤はどのように作られたのか、そしてなぜこれほど明確に区分されるのかは、銀河形成過程を研究する天文学分野において非常に重要な問いである。
厚い円盤と薄い円盤がそれぞれどのように形成されたかについては、大きく二つの仮説があった。第一は、厚い円盤が先に作られ、その後に薄い円盤が作られるという仮説だ。はるか昔、大小の矮小銀河が混ざり合い、こねられる過程でガス物質が急速に加速され、高温に熱せられる。そのため、初期の銀河円盤は厚く広がる。時間が経つにつれ、厚い銀河円盤の中で一つ二つと新しい星が誕生し始める。徐々に多くの星が作られると、新しく作られた星の円盤の重力のおかげで、上下に広がっていた厚い円盤が次第に鎮まり、集まることで銀河円盤の厚みが薄くなる。そうして長い時間が経つと、厚い円盤の中に薄い円盤が作られるという仮説だ。
第二の仮説は逆である。薄い円盤が先に作られ、その後に厚い円盤が作られるという仮説だ。最初は薄い円盤から星が誕生すると仮定する。時間が経つにつれ、周囲の他の隣接銀河との相互作用を経験し、円盤から渦巻腕や棒状構造が成長するなど、様々な力学的変化を経験する。そうするうちに、円盤平面に薄く沈んでいた銀河円盤の星やガス物質が、次第に円盤の上下に広がっていき、厚い円盤を形成するという仮説だ。
興味深いことに、厚い円盤と薄い円盤が共存する同じ銀河を巡り、二つの仮説は正反対の説明をしている。どちらが正しいのかは最近まで明確に結論が出ていなかった。しかし、少し前のジェイムズ・ウェッブの観測結果によって、どちらが正解に近いのかが明らかになった。
天文学者たちは、ジェイムズ・ウェッブが観測した宇宙の写真の中から、銀河円盤を薄く見ることができる（エッジオン）横向きの銀河111個を選別した。今回の観測は、最大100億年前の過去の宇宙まで遡る。最も遠い銀河は、宇宙が誕生してわずか38億年しか経っていない頃の姿を留めている。天文学者たちは、各銀河の円盤を横から見た姿で分類し、厚い円盤のみを持つ場合と、厚い円盤と薄い円盤を併せ持つ場合に分けた。すると、驚くべき傾向が明らかになった。
遠い宇宙の銀河には薄い円盤が見られない。大部分がぼやけて広がった厚い円盤しか持っていない。一方、より近い、最近の宇宙に向かうにつれて銀河が薄い円盤を見せ始める。このような明確な相関関係は、遠い過去に銀河が最初に形成されたときには厚い円盤しか持っておらず、時間の経過とともに銀河が薄い円盤を新たに形成し、二重円盤を持つようになるという仮説を裏付ける。つまり、二つの仮説のうち、「厚い円盤が先、薄い円盤が後」という順序を説明した仮説が正解だということだ。
銀河の全星質量と各銀河で円盤が占める質量を直接比較した上記のグラフを見ると、より明確である。グラフ中のオレンジ色の点は厚い円盤が成長する過程を示しており、水色の点は薄い円盤が成長する過程を示している。全ての円盤が銀河の重量が増すにつれて共に成長する傾向を見せるが、特にオレンジ色の線に比べて水色の線の方が急勾配で上がっている。先に作られた厚い円盤に比べ、後に作られる薄い円盤の成長がより速いことを示している。
さらに、銀河の質量によっても興味深い違いが現れる。重い銀河ほど薄い円盤をより早く作り始める。厚い円盤のみを持っていた銀河が薄い円盤を併せ持ち始める時点を比較してみると、質量の重い銀河は80億年前に二重円盤へ転換し始めたのに対し、軽い銀河は40億年前になってようやく転換が始まった。質量の軽い銀河は重い銀河に比べて30億〜40億年遅れて薄い円盤を備え始めたということだ。
これは、二つの円盤が別々に作られる独立した構造ではなく、共存しながら成長する構造であることを示している。単純に厚い円盤が完成した後に薄い円盤が別に作られるのではなく、本格的な誕生時期に差があるだけで、厚い円盤と薄い円盤の双方が共存しつつ成長する共進化を遂げているのだ。薄い円盤が作られ始めた後も、厚い円盤も成長を止めず、銀河自体が重くなるにつれて継続してより厚く、重く成長し続ける。
今回の発見をより明確に分析するため、その後天文学者たちは銀河をALMA電波望遠鏡で追加分析した。各銀河円盤内のガス物質がどれほど速く揺れ動いているかの動きを分析し、また各銀河円盤における重元素含有量の違いを比較した。実際に初期宇宙に存在する厚い円盤を持つ銀河では、ガス物質がより速く揺れ動いている。初期宇宙の厚い円盤内のガスの乱流がまだ静まっていないことを示している。
初期宇宙において、銀河円盤はまだ急速に混ざり合うガス粒子で満ちていた。ガス物質の乱流に満ち、高速で動く粒子で満たされた銀河円盤は高温だった。そのため初期の銀河円盤は厚かったのだ。乱流に満ちた厚い円盤の中で第1世代の星が誕生し、初期円盤が発達するにつれて円盤の乱流は収まった。円盤が静穏になるにつれて、後からより若く新しい星が誕生し、それらが残した重い金属元素が薄い円盤を満たしていった。一方、古くから生き残った金属含有量の低い古い星々は、引き続き厚い円盤を構成することとなった。今回の分析によると、天の川銀河の薄い円盤は約80億年前に形成されたものと見られる。興味深いことに、この数値は天の川銀河の薄い円盤内の星々のスペクトルから推定した化学的年齢とよく合致する。
銀河を単位として宇宙全体の進化を眺める銀河天文学において、「我々の銀河は独特な世界だろうか」という問いは非常に重要だ。天の川銀河が他の銀河と同様に極めて平凡な進化過程で形成された世界であれば、私たちが眺める宇宙の風景が宇宙全体をよく代弁していると信じることができる。一方、私たちが他の銀河とは異なる独特な歴史を経験したならば、私たちが眺める周辺の宇宙の風景が宇宙全体の平均的な特徴をよく代弁しているとは考えにくくなる。
残念ながら、私たちは一生天の川銀河の中に閉じ込められたまま、天の川銀河の実際の姿すら確認できずに生きる可能性が高い。天の川銀河を越えて宇宙全体を自由に飛び回る存在になれない限り、私たちに与えられた周辺の宇宙の風景が本当に宇宙全体の平均的な姿をよく代弁しているかは、現代宇宙論や天文学の根幹を左右する非常に重要かつ敏感な問いである。そして今回の発見は、幸いにも天の川銀河が宇宙の数多くの円盤銀河と同様の誕生の歴史を経験したという事実を示している。宇宙の数多くの銀河は、中心に薄く鮮明な小川が流れ、その両側にさらに広く広がった厚い川筋が流れるような天の川を宿している。そして、私たちもその一つなのだ。
参考
https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-digs-into-structural-origins-of-disk-galaxies/
https://academic.oup.com/mnras/article/540/4/3493/8169912?login=false
筆者のチ・ウンベは？ 猫と宇宙を愛する。幼い頃に『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。『サムに乗る天体観測台』、『一日中宇宙を考える』、『星、光の科学』などの著書がある。