[비즈한국] 宇宙は回転する。惑星も回り、星も回り、銀河も回る。それでは、銀河がいくつも集まったさらに巨大な構造も、ぐるぐると回ることができるのだろうか？最近、天文学者たちは観測史上最大規模で回転する宇宙の巨大構造を発見した。なんと5000万光年の長さにわたって広がる宇宙巨大構造の巨大なフィラメントが、丸ごと回転しているように見えるのだ！
南アフリカの砂漠に立つミーアキャット電波望遠鏡群が、宇宙の一角を狙った。64台の電波望遠鏡で協力して空をスキャンし、遠い宇宙の銀河地図を作成する「MIGHTEE観測プロジェクト」として行われた。特に電波は、銀河が抱いている新鮮な水素ガスを観測するのに長けている。水素は、その銀河が今後どれだけ多くの星を誕生させることができるかを示してくれる。約1億4000万光年離れた場所で、水素ガスを多く含む銀河を14個発見した。しかし興味深いことに、これらの銀河は宇宙空間にバラバラに散らばっているわけではなかった。約550万光年の長さにわたって、銀河が長く連なっていたのである。
それだけではなかった。連なる14個の銀河は、さらに巨大な宇宙巨大構造フィラメントの一部だった。このフィラメントは、以前の可視光観測で確認された銀河地図ですでに鮮明に現れていた。約280個の銀河が連なるこの巨大なフィラメントは、その長さだけで5000万光年に達する。
宇宙巨大構造のフィラメントは、別名「銀河の高速道路」とも呼ばれる。宇宙誕生の直後、太古には密度の揺らぎが存在した。誕生当初から重力がわずかに強い地域に向かって四方から物質が素早く集まり、フィラメントが形成されていく。こうしてつながった宇宙の高速道路に沿って多くのガス物質や暗黒物質が集まり、その中で時間が経つにつれて銀河が一つ二つと結実していく。巨大な網のようにフィラメントが絡み合っていることから、これを「宇宙の網」、コズミックウェブ（Cosmic Web）とも呼ぶ。現代の多くの超高解像度宇宙論シミュレーションは、このようにコズミックウェブが形成される過程を非常に完璧に再現している。
今回発見されたフィラメントが特に珍しいのは、単に巨大だからという理由ではない。分厚く長いフィラメントが丸ごと回転しているからだ！電波を活用した水素ガスの観測は、各銀河の回転速度と方向をより確実に教えてくれる。銀河円盤がぐるぐると回ることで、その半分は我々に向かって近づき、残りの半分は我々から遠ざかる。その際、半分は青方偏移、半分は赤方偏移を経験するドップラー効果が見られる。これを活用して天文学者たちは、14個の銀河の回転軸が、それらが属する巨大なガスフィラメントの方向と驚くほど並行に整列しているという事実を発見した。
この結果は、既存のシミュレーションで一般的に再現されるフィラメントでは期待しにくい水準だ。通常のシミュレーションでは、外部から追加で作用する力なしに、重力のみによって物質が集まりフィラメント内で銀河が誕生すると仮定すれば、その中で生まれる銀河の回転方向に特定の傾向が存在する理由はない。バラバラにランダムに分布するはずである。しかし今回発見された構造では、フィラメントの方向に沿って、非常に完璧なほど銀河の回転軸が並行に整列している。
これは、銀河が誕生する際、フィラメントの方向に大きな影響を受ける付加的な効果が同時に働いていることを意味する。フィラメントの方向に沿ってガス物質が流れ込み、そのガスの流れの中で銀河が作られているならば、このように一貫して銀河の回転軸が整列できるからだ。
さらに驚くべきことは、フィラメント内の各銀河の回転だけでなく、このフィラメント自体も丸ごと回転しているという点だ。加えて天文学者たちは、フィラメントに属するすべての銀河の相対的な動きを分析した。その結果、長いフィラメントに沿って半分はフィラメントから遠ざかる方向に、残りの半分は近づく方向に移動するパターンを見せた。フィラメントが丸ごと110km/sという凄まじい速度で回転しているのだ。この速度は、現在互いに向かって急速に接近している我々の銀河系とアンドロメダ銀河の相対速度に匹敵する。長さ5000万光年に及ぶ巨大で分厚いフィラメント、宇宙巨大構造の一本が、衝突に向かって突進する二つの銀河の速度に匹敵するほどの速さで回転しているのである！これはこれまで発見された中で最も長く、最も巨大な宇宙の回転構造だ。
特に今回確認されたフィラメントが際立って明らかな回転様相を見せる理由は、比較的新しい構造であるためかもしれない。このフィラメントには、新しい星の材料となる水素ガスを多く含み、内部の運動がそれほど複雑ではない一貫したスピンを見せる銀河が多く存在する。いわば力学的にまだ「冷たい」状態と見ることができる。言い換えれば、宇宙巨大構造が形成されフィラメントがつながる過程における、比較的初期段階の「生まれたばかりの」若いフィラメントといえる。そのため、開通したばかりの銀河の高速道路に沿って流れてきたガスの影響がまだ強く残っており、その中で作られた銀河も、はっきりと並行に整列したスピン方向を共有しているのである。
今回の発見は、宇宙巨大構造が正確にどのような過程を経て形成されたのか、その中で銀河がどのように誕生しているのかを、従来よりも確実に示している。新しい星が誕生している若い星雲を眺めて星の誕生の手がかりを得るように、偶然発見した比較的若いコズミックウェブの現場を観察することで、宇宙巨大構造の誕生を理解しているといえる。これまでシミュレーションでしか推測できなかった、つながり始めたばかりの宇宙巨大構造、コズミックウェブが新しく形作られていく現場なのだ。
それだけでなく、我々の宇宙が完全に完成し、すべての形成過程を終えた世界ではないという事実を改めて実感する。依然として我々の宇宙は、隅々まで注意深く見れば、新しい構造を形成している場所が数多く隠れている。長さ5000万光年に及ぶ巨大なコズミックウェブでさえもそうだ。一見すると我々の宇宙は、進化が終わり、徐々に冷めながら死ぬ日を待つ退屈な世界のように見えるが、依然として自身の新しい姿と構造を築き上げることをやめていない。
今回の発見は、最近続いているベラ・ルービン望遠鏡やDESI観測のような、宇宙全体の膨大な銀河の地図を立体的に把握し、実際の宇宙巨大構造の地図を完成・理解する上で大きな助けとなるだろう。我々の宇宙は、一つの巨大な網のように、すべての銀河が長くつながったフィラメントに沿って複雑に絡み合っている。そして今、我々はフィラメントの束の一つ一つが、さらにぐるぐるとねじれながら回転しているという事実まで知ることになった。
遠くないうちに、我々は単に銀河がどのように接続されているかを示す静的な空間分布の宇宙巨大構造地図を超えて、それぞれのフィラメントがどれほど速く回転しねじれているのか、個々の動きまで表現したさらに膨大な地図を完成できるようになるだろう。シミュレーションで再現した仮想宇宙の中で物質が集まり、宇宙巨大構造の骨格が鮮明になる過程を見るように、今やその驚くべき光景を実際の宇宙にそのまま適用して描き出し、想像することができるようになるのである。
参考
https://academic.oup.com/mnras/article/544/4/4306/8363602?login=false
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広めるという夢を持つようになった。現在、世宗大学校自由専攻学部助教授として、講演や執筆など様々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』、『行けないけれど知っている』、『宇宙を見ると浮かぶ不思議な質問』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ブック』、『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。