天の川の星々が明らかにする波乱万丈の過去

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

1923年10月5日の夜遅く、エドウィン・ハッブルはロサンゼルス盆地を見下ろす山頂のウィルソン山天文台で、フッカー望遠鏡の接眼レンズの前に座っていました。彼は北の空にある天体を観察していました。肉眼ではかすかな染みのように見えましたが、望遠鏡を通して見ると、アンドロメダ星雲と呼ばれる明るい楕円形に輝きました。当時、天の川銀河（宇宙全体と考えられていました）の大きさに関する議論に決着をつけるため、ハッブルはアンドロメダ銀河までの距離を決定する必要がありました。

望遠鏡の視野の中で、アンドロメダは巨大な星として見えました。ハッブル宇宙望遠鏡は、何枚ものガラス乾板にまたがるほどの露出時間を辛抱強く撮影し、10月6日の早朝、小さなガラス乾板に45分間の露出時間を記録し、3つの新しい星、つまり新星を見つけた場所に「N」と落書きしました。しかし、この画像を他の天文学者が撮影した写真と比較したところ、新しい新星の1つが実はセファイド変光星であることに気づきました。セファイド変光星は、天文距離の測定に使用できるタイプの星です。

彼は「N」を一つ消して「VAR!」と書いた。

ハッブルはこの脈動星を用いて、アンドロメダ銀河が地球から100万光年離れていると計算しました。これは天の川銀河の直径よりもはるかに大きい距離です（彼の計算はわずかに外れ、アンドロメダ銀河は約250万光年離れています）。そして彼は、アンドロメダ銀河が単なる星雲ではなく、私たちの銀河とは異なる「島宇宙」であることに気づきました。

私たちの島宇宙

地球の表面から、つまり非常に暗い場所にいると、天の川銀河の円盤の明るい縞模様を真横からしか見ることができません。しかし、私たちが住んでいる銀河は、はるかに複雑です。

超大質量ブラックホールは中心で激しく回転し、その周囲を「バルジ」と呼ばれる星の塊が取り囲んでいます。バルジには銀河系最古の恒星がいくつか含まれています。次に、私たちが目にする「薄い円盤」と呼ばれる構造があります。太陽を含む天の川銀河のほとんどの恒星は、巨大な渦巻状の腕に分割されています。この薄い円盤は、より広い「厚い円盤」に包まれており、その中にはより広く広がった古い恒星が含まれています。最後に、これらの構造をほぼ球形のハローが取り囲んでいます。ハローは主に暗黒物質で構成されていますが、恒星や拡散した高温ガスも含まれています。

これらの構造の地図を作成するために、天文学者は個々の星に注目します。それぞれの星の組成には、その誕生地、年齢、そして誕生の構成要素が記録されているため、星の光を研究することで、ある種の銀河地図作成、さらには系譜学が可能になります。星を時間と場所に位置づけることで、天文学者は歴史を辿り、数十億年をかけて天の川銀河がどのように一つ一つ形成されてきたかを推測することができます。

原始的な天の川銀河の形成を研究する最初の本格的な取り組みは1960年代に始まりました。オリン・エッゲン、ドナルド・リンデン＝ベル、そしてエドウィン・ハッブルの元大学院生だったアラン・サンデージが、銀河は回転するガス雲から崩壊して形成されたと主張したのです。その後長らく、天文学者たちは銀河系で最初に現れた構造はハローであり、その後に明るく密度の高い星の円盤が形成されたと考えていました。より強力な望遠鏡が登場するにつれて、天文学者たちはより正確な地図を作成し、銀河系がどのように形成されたかについての考えを洗練させ始めました。

2016年、欧州宇宙機関（ESA）の衛星ガイアから最初のデータが地球に帰還したことで、すべてが変わりました。ガイアは銀河系全体の何百万もの星の軌道を正確に測定し、天文学者たちにそれらの星の位置、宇宙空間での動き、そして速度を知る機会を与えています。ガイアのおかげで、天文学者たちは天の川銀河のより鮮明な姿を描き出すことができ、多くの驚くべき事実が明らかになりました。

バルジは球形ではなくピーナッツ型で、銀河系中央を横切るより大きな棒状構造の一部です。銀河系自体は、使い古したカウボーイハットのつばのように歪んでいます。厚い円盤もフレア状に広がり、端に​​向かって厚くなっています。これはハローよりも前に形成された可能性があります。天文学者たちは、銀河系に実際にいくつの渦巻き腕があるのか​​さえ分かっていません。

私たちの島宇宙の地図は、かつて見えたほど整然としたものではなく、穏やかでもありません。

「天の川銀河の従来の画像を見ると、美しい球状のハローと規則的な円盤があり、すべてが落ち着いて静止しているように見えます。しかし、現在わかっているのは、この銀河が不均衡な状態にあるということです」と、ハーバード・スミソニアン天体物理学センターの天文学者チャーリー・コンロイ氏は述べています。「この銀河がシンプルで秩序だったというイメージは、ここ数年で完全に否定されてしまいました。」

天の川銀河の新しい地図

エドウィン・ハッブルがアンドロメダ銀河が独立した銀河であることに気づいてから3年後、彼と他の天文学者たちは数百もの島宇宙の撮影と分類に奔走しました。これらの銀河はいくつかの形と大きさで存在しているように見えたため、ハッブルは音叉図として知られる基本的な分類体系を開発しました。これは銀河を楕円銀河と渦巻き銀河の2つのカテゴリーに分類するものです。

天文学者たちは今でもこの分類法を用いて銀河を分類しており、私たちの銀河も例外ではありません。今のところ、天の川銀河は渦巻き状で、腕が恒星（そして惑星）の主な育成場となっています。半世紀もの間、天文学者たちは4つの主要な腕、すなわちいて座腕、オリオン座腕、ペルセウス座腕、そして白鳥座腕（私たちは、想像力に欠ける「局部腕」と呼ばれる小さな枝分かれした銀河に住んでいます）があると考えていました。しかし、超巨星やその他の天体の新たな測定結果によって、異なる様相が浮かび上がってきており、腕の数や大きさ、さらには私たちの銀河が島嶼銀河の中で特異な存在であるかどうかさえ、天文学者の間で意見が一致していません。

「驚くべきことに、中心から外縁部まで4つの渦巻きが伸びている外部銀河はほとんどない」と、中国紫金山天文台の天文学者徐葉氏は電子メールで述べた。

イェ氏らは、天の川銀河の渦巻き腕を追跡するため、ガイア衛星と地上電波望遠鏡を用いて若い星を探した。その結果、他の渦巻き銀河と同様に、天の川銀河にはペルセウス腕とノルマ腕という2つの主要な腕しかないことがわかった。また、ケンタウルス腕、いて腕、カリーナ腕、外腕、そして局部腕など、複数の長く不規則な腕が中心核を巻き付いている。少なくとも形状においては、天の川銀河は天文学者が考えていたよりも遠く離れた宇宙の島々と似ている可能性があるようだ。

「渦巻き状の天の川銀河を研究することで、観測可能な宇宙にある数十億の銀河の中でそれが独特なものなのかどうかが明らかになるかもしれない」とイェ氏は書いている。

コズミックショアーズ

ハッブルによるアンドロメダとその変光星の研究は、ウィルソン山のもう一人の著名な天文学者、ハーロー・シャプレーとの激しいライバル関係から始まりました。ハーバード大学の天文学者ヘンリエッタ・スワン・リーヴィットは、セファイド変光星を用いた距離測定の先駆者であり、シャプレーはその手法を用いて、天の川銀河の直径を30万光年と計算しました。これは、ほとんどの天文学者が太陽が銀河の中心にあり、銀河全体の幅が3000光年であると信じていた1919年当時としては驚くべき主張でした。そのためシャプレーは、他の「渦巻星雲」はガス雲であり、独立した銀河ではないと主張しました。なぜなら、その大きさからして、それらは想像を絶するほど遠くにあるはずだからです。

ハッブルは変光星の観測結果をまとめ、アンドロメダが実際には独立した銀河であることを皆に納得させた。「これが私の宇宙を破壊した手紙だ」と、シャプレーはハッブルのデータを見た後、言ったと伝えられている。

しかし、天文学的な距離という点では、シャプレーの予測はそれほど的外れではなかったかもしれない。それから1世紀を経て、天文学者たちは天の川銀河のバルジ（膨らみ）の直径は約1万2000光年、円盤の幅は12万光年、そして暗黒物質と古代の星団からなるハローはあらゆる方向に数十万光年にわたって広がっていると計算してきた。

最近の観測により、いくつかのハロー星が100万光年も離れたところ（アンドロメダ銀河の半分）まで散在していることが判明しました。これは、ハロー、ひいては銀河自体が、独立した島宇宙ではないことを示唆しています。

ハーバード・スミソニアン天体物理学センターの大学院生、ジェシー・ハン率いる天文学者たちは最近、恒星のハローが長年考えられていた球形ではなく、フットボールのような形をしていることを突き止めました。9月14日に発表された論文で、ハンと彼のチームはまた、暗黒物質ハローが約25度傾いており、それが銀河全体を歪ませている可能性も示しました。

それ自体が奇妙に思えるかもしれないが、その傾き自体が天の川銀河の激動の過去を示す証拠なのかもしれない。

銀河の乱れ

ハッブルが接眼レンズに座る遥か昔、太陽が誕生する遥か昔、天の川銀河が存在する遥か昔、ビッグバンはあらゆる物質を粉砕し、生まれたばかりの宇宙全体に無差別に撒き散らしました。最初の銀河は、やがて無秩序な残骸から形成され、私たち人間へとつながる130億年にわたる一連の進化の始まりとなりました。天文学者たちはこれらの出来事がどのように展開したのかという複雑な経緯について議論していますが、現在私たちが住む銀河は、合併や買収を含む複雑なプロセスを経て成長してきたことは分かっています。

宇宙のいたるところで、銀河は衝突し、想像を絶するほど巨大な災害を引き起こしています。エドウィン・ハッブルの名を冠した望遠鏡は、こうした宇宙の衝突を常に捉えています。今日では比較的穏やかですが、天の川銀河も例外ではありません。星、ガス流、数千から数百万の星からなる球状星団、そして飲み込まれた矮小銀河の影に残された考古学的記録を精査することで、科学者たちは天の川銀河の進化についてより深く理解しつつあります。

激しい動きの最初の兆候は、1992年に天文学者たちがパロマー天文台の名高い口径200インチ望遠鏡（ハッブル宇宙望遠鏡が初めて使用した望遠鏡）を通して、天の川銀河がハロー内の球状星団の一部を破壊している証拠を発見した時に現れました。スローン・デジタル・スカイ・サーベイによってこの観測は確認され、その後、電波望遠鏡によって銀河が近隣のガス流を吸い込んでいることも発見されました。

2018年半ばまでに、天文学者たちは天の川銀河がその生涯を通じていくつかの小さな銀河と合体してきたものの、そのほとんどは小さな出来事だったと推測していました。近年最大の合体となった100億年前の銀河は、いて座矮小楕円銀河が関与していたと考えられており、この銀河は天の川銀河の恒星ハローにガス流と星団を供給しました。しかし、天文学者たちはこれらの天体を完全に理解したのは、ガイア衛星が2018年に2番目のデータセットを公開したときでした。

天文学者たちが約10億個の恒星の詳細な動きと位置を詳しく調べていくうちに、銀河系における大きな擾乱の兆候が現れました。ハローに銀河の残骸が見つかったのです。ハローでは、一部の恒星が極端な角度で公転し、他の恒星とは異なる組成をしており、これらの恒星がどこか別の場所で誕生したことを示唆しています。

天文学者たちは、これらの奇妙な星々を、天の川銀河と別の銀河との巨大な衝突の証拠と捉えました。おそらく80億年から110億年前に起こったこの衝突は、若い天の川銀河を壊滅的に破壊し、もう一方の銀河を粉々に引き裂き、新たな星形成の嵐を引き起こしたと考えられています。

衝突した銀河の残骸は現在、ガイア・ソーセージ・エンケラドゥスと呼ばれています。これは、2つのチームがそれぞれ独立して衝突の残骸を発見したためです。一方のチームは、地球とすべての生命の原始の母であるギリシャ神話の神ガイアとその息子エンケラドゥスにちなんで名付けました。もう一方のチームは、残骸がソーセージのように見えることに気づきました。（一部の天文学者は、衝突に関与したのは衝突した銀河だけではないと主張し、より長い期間にわたる多数の小規模な衝突が、現在私たちが目にしている構造を生み出した可能性があると主張しています。）

この合体により、天の川銀河のハロー、内側の膨らみ、平らになった円盤の軌道など、すべてが変わりました。

現在、天文学者たちはさまざまなツールを使って、ガイア、ソーセージ、エンケラドゥスの衝突の時期と、その結果生まれたばかりの天の川銀河がどのように成長したかを理解しようとしている。

「私たちの銀河がどのように形成されたかという私たちの考えと、JWSTが観測しているものを結びつけることができます。銀河がどのように形成されたかについて、一貫した全体像を把握できるでしょうか？私たちの銀河は典型的なものなのでしょうか？」と彼女は言いました。

厚い円盤は主要な合体以前から存在していた可能性があるが、薄い円盤はガイア・ソーセージ・エンケラドゥスの到来と同時期に存在していたことが、シャンとリックスによって発見された。明確な恒星円盤を形成するこの二股の集合プロセスは一般的である可能性があり、星形成のきっかけとなる重要な役割を担っている可能性がある。この熱狂的な合体以来、誕生率は低下しているが、天の川銀河では今でも年間約10～20個の新しい星が生まれている。

コロンビア大学からアメリカ自然史博物館に移ったばかりのユシー（ルーシー）・ルー氏は、銀河円盤の歴史と、それが時間とともにどのように変化してきたかを理解しようとした。そのため、彼女は星の生涯にわたる化学変化が、星の誕生場所の特定にどのように役立つかを研究した。彼女は、似たようなふっくらとした準巨星に焦点を当て、未発表の新たな研究で、金属に富む準巨星（ヘリウムよりも重い元素を豊富に含む）が、110億年前から80億年前のガイア・ソーセージ・エンケラドゥス合体頃に本格的に成長し始めたことを発見した。

ガイア・ソーセージ・エンケラドゥスに関する証拠は積み重なり続けています。しかし、天文学者たちが未だに理解できていないのは、なぜそれ以来ずっと静穏な状態が続いているのかということです。ルー氏は、天の川銀河の化学的歴史と構造的歴史は非典型的であるように思われると述べています。

例えばアンドロメダ銀河は、天の川銀河よりもはるかに激しい歴史を辿ってきました。他の銀河の歴史や、銀河は互いに衝突することで成長するという一般的な宇宙論モデルを考えると、私たちの銀河がこれほど長い間放置されているというのは奇妙なことだとワイズ氏は述べました。「合体の歴史も、集合の歴史も、どちらも異例です。私たちの銀河が宇宙において本当に異例な存在であるかどうかは…まだ未解決の問題だと思います」と彼女は言いました。

新しい島の誕生

天文学者たちが銀河の過去をつなぎ合わせている一方で、銀河の近隣地域が都市と郊外のように互いにどのように異なっているかを研究している研究者もいる。この可能性は、惑星（そしておそらく生命）が銀河系全体でどのように分布しているかという疑問を提起する。

ここでは、局部腕のある特定の恒星の周りで、太陽の周りに8つの惑星が形成されました。4つは岩石惑星、4つはガス惑星です。しかし、他の腕では状況が異なる可能性があります。それぞれの環境は、異なる生物圏を持つ大陸で特殊な動植物が進化するのと同じように、異なる恒星や惑星の種族を生み出す可能性があります。