ほとんど見えない銀河、トンボ44の謎

2016年、イェール大学のピーター・ファン・ドックム率いる天文学者たちは、非常に暗く、それでいて非常に広く重いため、ほぼ完全には見えないはずの銀河を発見したという衝撃的な論文を発表しました。彼らは、ドラゴンフライ44と名付けられたこの銀河は、99.99%が暗黒物質で構成されていると推定しました。

ドラゴンフライ44の特性については激しい議論が巻き起こり、未だに決着がついていません。一方で、ドラゴンフライ44と同程度の大きさだが暗い銀河が1,000個以上発見されています。

ドラゴンフライ44とその類似銀河は、超拡散銀河（UDG）として知られています。UDGは、通常の銀河の中でも最大規模になることもありますが、非常に暗いため、望遠鏡による天空の観測では、「これらの銀河を誤って除外することなく、ノイズを除去するのは至難の業です」と、メリーランド州ボルチモアにある宇宙望遠鏡科学研究所の天文学者ポール・ベネット氏は述べています。他の銀河には豊富に存在する明るい星形成ガスは、UDGでは消失し、老齢の星の骨格だけが残っているようです。

これらの存在は、これまで予測できなかった銀河進化論に衝撃を与えた。「シミュレーションでは現れなかった」とファン・ドックム氏は述べた。「これほど大きくて暗い銀河を作るには、何か特別なことが起きているはずだ」

ドラゴンフライ44やその他のUDGの起源を説明する、突飛な新理論が浮上している。そして、これらの巨大な光のしみは、暗黒物質の見えざる手を示す新たな証拠となるかもしれない。

暗黒物質が多すぎる

重力によってガスと星の塊が引き寄せられ、それらのエネルギーと運動量が合わさって膨張と回転を引き起こします。そして最終的に銀河が形成されます。

ただ一つ問題があります。銀河は回転するにつれて、離れていくはずです。しかし、互いにくっつくだけの質量、つまり重力を持っていないように見えます。暗黒物質の概念は、この失われた重力を補うために考案されました。この図では、銀河はより大きな非発光粒子の集合体の中に存在しています。この暗黒物質の「ハロー」が、回転する銀河を一つにまとめているのです。

銀河の自転速度、ひいては暗黒物質の量を推定する方法の一つは、球状の星団を数えることです。「理論的な観点からは理由は分かりません」とベネット氏は言いますが、これらの「球状星団」の数は、測定が難しい特性と密接に相関しています。2016年の論文で、ファン・ドックム氏はドラゴンフライ44の内部に94個の球状星団を数えました。この数は、銀河の可視物質が非常に少ないにもかかわらず、非常に大きな暗黒物質ハローが存在することを示唆していました。

誰もこのようなものを見たことがなかった。ヴァン・ドックム氏と共著者たちは、ドラゴンフライ44は「失敗した天の川銀河」である可能性を示唆した。これは、天の川銀河ほどの大きさの暗黒物質ハローを持つ銀河だが、初期に謎の出来事によって星形成ガスが失われ、老いた星と巨大なハローだけが残った状態だ。

あるいは暗黒物質は存在しない

この天体は、暗黒物質は存在しないと主張する別の天文学者たちの関心を集めました。彼らは、ニュートンの重力法則を微調整することで銀河の重力の消失を説明しています。このアプローチは修正ニュートン力学（MOND）と呼ばれています。

MONDによれば、各銀河の修正重力は、その銀河を構成する恒星の質量光度比、つまり恒星の総質量を恒星の光度で割った値から計算される。MOND理論家たちは、なぜこの比に力が依存するのかについては推測していないが、彼らのアドホックな式は、暗黒物質を考慮せずに、ほとんどの銀河の観測速度と一致する。

ドラゴンフライ44に関するニュースが報じられた際、MONDの提唱者であるケース・ウェスタン・リザーブ大学の天文学者ステイシー・マクゴー氏は、その質量光度比から、ファン・ドックム氏の最初の推定よりもゆっくりと自転するはずだと計算した。しかし、MONDの計算はデータと一致しなかったようだ。

しかし2019年、ファン・ドックム氏のグループは改良されたデータを用いてドラゴンフライ44号の自転速度を引き下げました。MONDの正当性が証明されました。「ドラゴンフライ44号は、これらのデータがMONDと一致するように進化した一例です」とマクゴー氏は述べています。

それでも、暗黒物質の存在を信じる大多数の天文学者にとって、回転速度の遅さは、ドラゴンフライ44のハローが予想よりも小さいことを示唆しているに過ぎませんでした。2020年には、独立した研究グループが球状星団の数を大幅に減らすことでハローの大きさをさらに小さくしましたが、ファン・ドックム氏はこの結果に異議を唱えています。ハローの大きさは依然として不明ですが、当初の想定よりも質量が小さい可能性があり、ドラゴンフライ44が結局は失敗した天の川銀河ではないことを示唆しています。

ビッグオールドギャラクシー

新たに発見された奇妙な現象により、謎はさらに深まった。

8月に発表された論文の中で、ファン・ドックム氏の研究グループは、ドラゴンフライ44が非常に古く、100億年から130億年前に形成されたことを発見した。

しかし、これほど古い銀河はドラゴンフライ44ほど大きくはないはずです。初期宇宙の天体は、宇宙が急速に膨張する前に形成されたため、よりコンパクトになる傾向があります。

さらに、これほど古くてぼろぼろの銀河は、今頃は完全に崩壊しているはずだった。ドラゴンフライ44がまとまった状態を保っているということは、結局のところ、この銀河には強力な暗黒物質ハローが存在することを示唆しており、「崩壊した天の川銀河」仮説を復活させる可能性もある。「とても面白い説明なので気に入っていますが、正しいかどうかは分かりません」とファン・ドックム氏は述べた。

もう一つの説明である「高回転仮説」は、2つの小さな銀河が同じ方向に回転しながら合体し、その結果生まれた銀河、ドラゴンフライ44が両方の角運動量を獲得したという説です。その結果、ドラゴンフライ44はより速く回転し、膨張して星形成物質を吹き飛ばしました。

驚くほど多様なUDG

ドラゴンフライ44の観測を進める中で、天文学者たちは他の超拡散銀河の膨大かつ多様なコレクションもカタログ化しました。これらの発見により、銀河はこれまで考えられていたよりも多様な方法で形成されるという結論に至っています。

新たに発見されたUDGの中には、暗黒物質が全く存在しないものもあるようだ。ヴァン・ドックム率いる研究チームは2018年にそのような銀河を一つ特定し、その後、その近くに複数の銀河の痕跡を発見した。今年5月、研究チームはNature誌に、この痕跡は遠い昔の二つの銀河の衝突によって形成されたと推測した。衝突によって銀河のガスの流れは遅くなったが、暗黒物質は何事もなかったかのように流れ続けた。その後、ガスは圧縮されて星の塊となり、最終的に暗黒物質のない銀河の列を形成した。

一方、ベネット氏は2018年に2つのUDGを発見し、異なる形成理論を示唆しています。いずれの場合も、近傍の重い銀河からの潮汐力がUDGを突き破り、膨張させてガスを奪ったと考えられています。（この説では、重い銀河から遠く離れているドラゴンフライ44を説明できません。）

不可解なことに、9月の論文ではUDGでの最近の星形成が報告されており、UDGには古い星しか存在しないという考えとは矛盾している。

外見は同じに見えても内部で異なるUDGの多様性は、MONDよりも暗黒物質理論の妥当性を立証する可能性がある。「ある銀河では星が非常に速く移動し、別の銀河では非常にゆっくりと移動している場合、それは代替理論にとって大きな問題となります」とファン・ドックム氏は述べた。

マクゴー氏は、UDG集団の中に「真の外れ値」が存在する場合、「それは確かにMONDにとって問題となる」と同意した。しかし、彼は「だからといって自動的に暗黒物質がより優れた解釈となるわけではない」と付け加えた。

決定的な答えを得るには、新たな望遠鏡が必要となる。新たに運用を開始したジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、初期宇宙で形成されていた遠方の銀河の姿を既に捉えており、これは新たな仮説を検証し、洗練させるのに役立つだろう。

「重要なのは、宇宙に何があるのか​​まだ分かっていないということです」とファン・ドックム氏は述べた。「私たちがまだ発見していない銀河が、非常に大きく、非常に近く、そして特異な性質を持っています。そして、何十年にもわたる天体の研究を経ても、それらは現在のカタログには載っていないのです。」

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。