[비즈한국] 人の性格は遺伝だろうか？それとも環境によって変わるのだろうか？これに似た問題が銀河の運命でも起こっている。
銀河は休むことなく隣接する近隣の銀河と衝突し、相互作用を繰り返している。このように、銀河が誕生した後に経験する周辺の近い環境要因は、銀河の運命に大きな影響を及ぼす。それに対し、より巨大な宇宙的スケールの環境要因は、その後の銀河の生活には直接的な影響を与えないように思える。しかし、そうではない。むしろ、個々の銀河のスケールをはるかに超越した、汎宇宙的な条件がすでに個々の銀河の運命を決定している可能性さえあるのだ！
私はこのような効果を、グローバルなスケールの宇宙的環境が結局はローカルなスケールにある銀河の運命にまで影響を与えるという意味で、「宇宙のグローカル効果」と呼んでいる。どのようにしてそんなことが可能なのだろうか？久しぶりに私の最新の研究結果を紹介したい。
私は孤立した銀河よりも、隣接する他の銀河と相互作用するカップル銀河の方に興味がある。銀河間の相互作用は、その外見にも多種多様な変化をもたらす。代表的なものとして、銀河円盤が歪む「ワープ（Warp）」現象がある。特にこの現象は、銀河円盤がほぼ完全に横たわっているように見える銀河において顕著に観測される。しかし、銀河円盤のワープを作り、長く維持させるには、単に他の銀河との激しい出会いが一度あった程度では難しい。このような刹那の「火遊び」だけでは、数億年にわたって安定的に湾曲した形態を維持する実際の銀河のワープ構造を説明することはできない。
そこで天文学者たちは、銀河を取り巻くダークマターのハローにその理由を見出した。ハローには、ダークマターが単に球状にきれいに丸く集まっているわけではない。一方の軸にやや長く歪んだ、ラグビーボールのような形で集まっている。ところが、ダークマターハローの軸が必ずしもその中にある銀河円盤の軸と平行ではない。少しずつずれ、傾いているのだ。近隣銀河との激しい衝突も、こうしたダークマターハローの中心軸を傾かせる主な要因の一つである。
ダークマターハローはその巨大なスケールに見合うように、その中にある銀河円盤に長期間、継続的な重力的影響を及ぼす。そのおかげで、一度歪んだ銀河円盤がすぐに元の平らな姿に戻らず、長期間その湾曲した構造を維持できるのである。実際に我々の銀河系円盤も、プリングルズのチップスのように曲がった明確なS字型を示しているが、このように長い時間歪んだ構造を維持できる理由の一つとして、我々の銀河を囲むダークマターハローが銀河軸に対して少し傾いており、その中で銀河円盤の軸が周期的に揺れ動く歳差運動をしているためだと推定している。
これは非常に有力な仮説だが、問題がある。各銀河を取り巻くダークマターハローは、一般的な光学観測では把握しにくいという点だ。ダークマターは光を出さないため、銀河の写真をいくら一生懸命撮っても全く見えない。代わりに、ダークマターハローの規模や形態、どの方向に長く歪んでいるのか、その軸の方向を推論する間接的な方法が一つある。それは、ダークマターハローが作り出す重力ポテンシャルを把握することだ。そして、その手がかりとして各銀河の周りを回る衛星銀河の空間分布を活用する。
今回の研究で私は、円盤に明確なワープ構造を見せる銀河を選び出した。ワープはその形状により大きく二つに分類される。両端が互いに逆方向に曲がったS字ワープ、そして同じ方向に曲がりながら器のように見えるU字ワープである。そして、ワープを見せる銀河たちの周辺に捕らえられた軽い衛星銀河をすべて探し出し、どのように分布しているのかを把握した。
その結果、ワープを見せず円盤が平らな銀河たちと比較したとき、ワープを見せる銀河たちは明らかに衛星銀河の分布が長く歪んでおり、円形ではない姿を見せていた。これは、ワープを持つ銀河たちがラグビーボールのような形に歪んだダークマターハローの中に住んでいることを意味する。傾いたダークマターハローの重力ポテンシャルこそが、長く維持される銀河ワープの秘密であるという仮説の強力な証拠となる。
宇宙の大規模構造のフィラメントに対して各銀河がどれほど離れているか、また最も近いフィラメントがどのような方向に流れているかを比較してみると、さらに興味深い事実が明らかになる。銀河を取り巻くダークマターハローの軸の方向は、ランダムに分布しているわけではない。結局、個々の銀河とは宇宙大規模構造のフィラメントに沿って流れ込んできた物質が集まって作られた結果だからだ。
ところが面白い点は、ワープの形状によってダークマターハローがフィラメントに対して整列する方式に明確な違いがあるということだ。S字ワープを見せる銀河の場合、ダークマターハローが隣接するフィラメントにほぼ平行に整列する。言い換えれば、フィラメントの流れに沿って整列したダークマターハローの中で形作られる銀河は、S字ワープを見せるのだ。一方で、U字ワープを見せる銀河のダークマターハローの軸は、隣接するフィラメントにほぼ垂直方向に整列する。フィラメントの流れから外れ、それに垂直な方向にダークマターハローが形成された場所では、銀河たちがより不安定なU字ワープを作り出す。
この発見は非常に興味深い。なぜなら、単に隣接する銀河がどの方向にどれほど強く近づいてくるのか、隣の銀河との相互作用で起こる些細な違いによって、ワープの形状がSかUかが決定されると長らく考えられてきたからだ。しかし、これまでの銀河衝突シミュレーションを見ると、大部分の安定したS字ワープはうまく再現する一方で、U字ワープは再現が難しく、たまに再現できたとしても長時間維持することができなかった。そのため、実際の宇宙で少なくない数が見つかるU字ワープの存在は、まだ完全には説明されていなかった。
しかし今回の研究は、ワープの形状が単に隣接銀河との衝突の瞬間に決まる些細な問題、つまり後天的な性質ではなく、先天的運命である可能性を示唆している。隣接するフィラメントに対してどのような形状で整列したダークマターハローの中で銀河が誕生したかによって、その形がすでに決定されている可能性があるということだ。これは、私が疑ってきた宇宙のいわゆる「グローカル」効果に重要な手がかりを提供する。
宇宙大規模構造のフィラメントが形成されると、フィラメントに沿ってガス物質とダークマターが急速に流れ込む。そうしながら周辺のダークマターハローの整列状態が決定され、その中で個々の銀河が誕生することで、結局銀河の運命も決定される。ダークマターハローという重要な中間段階を媒介とし、数Mpc（メガパーセク）レベルの宇宙大規模構造で起こる効果が、結局はその中に住む数kpc（キロパーセク）レベルの個々の銀河の運命に影響を与えるのである！
ただ、円盤が湾曲したワープ銀河という制限された条件下で見つかったものであるため、今後はより多様で広範囲な銀河においても体系的な追加検証が必要だ。銀河の形態学的、化学的、力学的進化をはじめとする様々な側面においても、果たして宇宙のグローカル効果が作用するのか、本当に個々の銀河の運命が遠い昔に形成された宇宙大規模構造のフィラメントによって左右されるのか、今後より細かく分析していく予定だ。
参考
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ae0e13
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るという夢を持つようになった。現在、世宗（セジョン）大学自由専攻学部助教授として、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。『毎日宇宙の一欠片』、『星が輝く宇宙の科学者たち』、『行くことはできないが知ることはできる』、『宇宙を見ると浮かぶ奇妙な質問たち』などの著書があり、『本当の宇宙を旅するヒッチハイカーのためのガイド』、『私はどうして冥王星を殺したのか』、『クォンタム・ライフ』、『コスミグラフィック』などを翻訳した。