アルマ望遠鏡による観測で、約111億年前の初期宇宙に存在する“棒渦巻構造”を持つモンスター銀河のガスの分布と運動を詳細に捉えることに成功したと、国立天文台、名古屋大学、東京大学、静岡大学の4者が5月22日に共同発表した。

  • 左：JWSTが捉えたJ0107aの近赤外線画像。中央やや(右)の白い塊がJ0107a、その左がVV114
    (C)ESA/Webb, NASA & CSA, L. Armus & A. Evans
    右：JWSTによる星の分布とアルマ望遠鏡によるガス分布の比較。回転する棒状構造の先端部にある大量のガスが、中心に落下する様子が捉えられている
    (C)NASA, ALMA(ESO/NAOJ/NRAO), Huang et al.
    (出所:名大ニュースリリースPDF)

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST)の赤外線観測と、今回の観測結果を組み合わせることで、同銀河が現在の宇宙に存在する棒渦巻銀河と酷似しつつも、その内部では激しくガスが吹き荒れ、一部は銀河中心に落ち込んで猛烈な星形成を起こしていることを解明した。

同成果は、国立天文台(NAOJ) アルマプロジェクトのファン・ショウ特任研究員(名大大学院 理学研究科 兼任)、NAOJの川邊良平名誉教授、名大 高等研究院 YLC教員/同・大学院 理学研究科の梅畑豪紀特任助教、東大大学院 理学系研究科の河野孝太郎教授、名大大学院 理学研究科の田村陽一教授、静岡大 グローバル共創科学部/同・大学院 総合科学技術研究科 理学専攻 物理学コースの斉藤俊貴准教授らの共同研究チームによるもの。詳細は、英科学誌「Nature」に掲載された。

今から100億年以上前の初期宇宙には、天の川銀河の100倍以上の効率で爆発的星形成を行うモンスター銀河が数多く存在していた。現在の激しい星形成銀河の多くが銀河の衝突合体をきっかけとしていることから、初期宇宙のモンスター銀河も同様の過程を経て、ガス枯渇後には巨大な楕円銀河になると推測されてきた。

モンスター銀河は遠方にあること、活発な星形成で生じた大量の塵に覆われているため、可視光での観測が困難だ。そのため、銀河本体の形状や爆発的星形成のメカニズムは不明な点が多い。

しかし近年、JWSTの赤外撮像観測により塵の内部を見通せるようになり、立派な円盤構造を持つモンスター銀河が多数存在することが判明。その結果、一見すると普通の円盤銀河が、なぜ爆発的星形成を起こすのかという新たな謎が浮上した。

  • 左：JWSTによる近赤外線画像。画面下の2つの明るい天体は、前景にある近距離の天体だ
    (C)NASA
    右：アルマ望遠鏡によって観測されたJ0107aのガス分布。棒状構造が時計回りに回転し、大量のガスが回転の前方の縁から中心に向かって落下している様子が示されている
    (C)ALMA(ESO/NAOJ/NRAO), Huang et al.
    (出所:名大ニュースリリースPDF)

研究チームが着目したのは、約111億年前の宇宙(赤方偏移2.467)に存在する棒渦巻構造を持つモンスター銀河「J0107a」だ。同銀河は、天の川銀河の10倍以上の質量と、約300倍の星形成率を持ち、同種の中でも特に巨大で星形成が激しい。加えて、この時代の銀河としては最大級の綺麗な棒渦巻構造を持ち、モンスター銀河としては類例のないほど現在の銀河と酷似した形状だった。

その爆発的星形成の原因究明にはガスの詳細な運動情報が不可欠だが、塵に埋もれた銀河の分光観測はJWSTでも容易ではない。そこで研究チームは今回、アルマ望遠鏡を用いて一酸化炭素と中性炭素原子の輝線観測を行うことにした。

その結果、J0107aの棒構造は、その形状に加え、付随ガスの分布と運動も現在の棒渦巻銀河と酷似していることが判明。ただし、現在の銀河の棒構造ではガスの全質量に占める割合が10%以下だが、J0107aでは50%程度ときわめて高かった。

同銀河の中では、現在の銀河とは桁違いに質量の大きな星とガスからなる棒構造が円盤を攪拌(かくはん)し、銀河中心から半径約2万光年内を吹き荒れる秒速数百kmのガスの流れを生成。その一部は銀河中心へ落下し、猛烈な星形成を引き起こしていた。このような棒構造を持つモンスター銀河は、従来の銀河形成の研究では予測されていなかったとした。

初期宇宙で棒構造からのガス供給による爆発的星形成の直接観測に成功したのは今回が初めて。従来のモンスター銀河形成進化シナリオでは、衝突合体や円盤の重力不安定性で激しい星形成が生じ、その後、数億年内に楕円銀河に変わるとされてきた。しかしJ0107aは、宇宙誕生後26億年の初期宇宙において、数億年をかけ、中身がモンスターのまま現代の棒渦巻銀河と同じ姿へと成長したことが推測された。

今回得られた詳細なガスの分布と運動の情報は、モンスター銀河の起源に加え、初期宇宙での棒構造の形成過程を観測していると考えられ、より普遍的な銀河の棒構造の形成進化研究にも重要な手がかりを提供するとした。

巨大銀河の成長に必要な多量のガスは、銀河合体や宇宙網(コズミックウェブ)から流れ込んで供給される。J0107aには合体の兆候が見られない一方、周囲に直径約12万光年と銀河本体の2倍の大きさのガス円盤が検出された。その運動は銀河本体とほぼ沿っており、おそらく宇宙網から渦を巻きながら降着した大量のガスでできていると推測されるとした。これらのガスの流れは、理論的に予想される「冷たい流れ」だという。

このように、宇宙スケールのガスの流れの中で円盤銀河が誕生し、銀河内部の進化で棒構造が出現。その結果、銀河スケールの暴風と爆発的星形成が生じるという、モンスター銀河に対する新しい描像が考えられるとした。研究チームは今後、この描像を詳細に確認すべく、アルマ望遠鏡観測による観測研究を継続する予定としている。