隠れた超銀河団が天の川銀河の謎を解くかもしれない

見晴らしの良い場所から夜空を見上げると、天の川銀河の太い帯が空を横切っているのが見えます。しかし、私たちの銀河系の円盤を彩る星や塵は、私たちの銀河系外にあるすべての銀河を研究する天文学者にとって、歓迎されない光景です。それはまるで、フロントガラスに垂れ込めた濃い霧の縞模様のようで、宇宙の広大さに関する私たちの知識を不完全なものにしてしまうぼやけた状態です。天文学者たちはこれを「回避領域」と呼んでいます。

レネー・クラーン＝コルテウェグは、そのキャリアを通じて、このゾーンの向こう側に何があるのか​​を探ってきました。彼女が初めて背景に何か壮大なものの気配を感じ取ったのは、1980年代に古い写真測量用乾板に、物体の集合体らしきものを見つけた時でした。その後数十年にわたり、大規模な構造物の存在を示唆する兆候が次々と現れました。

昨年末、クラーン＝コルテウェグ氏らは、巨大な宇宙構造を発見したと発表した。それは、数千もの銀河からなる「超銀河団」である。この銀河団は3億光年にわたり、街灯の陰に隠れた鬼のように、銀河面の上下に広がっている。天文学者たちは、ほ座の周囲に位置することから、これをほ座超銀河団と呼んでいる。

ミルキーウェイムーバーズ

天の川銀河は、宇宙の他の銀河と同様に動いています。宇宙自体が膨張しているため、宇宙のあらゆるものは常に動いていますが、1970年代以降、天文学者たちは「特異速度」と呼ばれる別の動きを発見しました。これは、私たちが巻き込まれているように見える、別の種類の流れです。天の川銀河、アンドロメダ銀河、そして数十の小さな伴銀河を含む局部銀河群は、ビッグバンの残余放射の影響を受けて、秒速約600キロメートルで動いています。

過去数十年にわたって、天文学者たちは、近隣の銀河団、超銀河団、銀河団の壁、宇宙の空隙など、局部銀河群を押し引きする可能性のあるすべてのものを数え上げてきました。これらは私たちの近隣に無視できない重力を及ぼしています。

最大のタグボートはシャプレー超銀河団です。これは太陽の50兆倍もの質量を持つ巨大な銀河で、地球から約5億光年（ほ座超銀河団からも空ではそれほど遠くありません）の距離に位置しています。この銀河団は、局部銀河群の固有速度の4分の1から半分を占めています。

残りの動きは、天文学者が既に発見している構造では説明できません。そのため、天文学者たちは宇宙のさらに遠くまで観測を続け、天の川銀河への正味の重力に寄与する遠方の天体を数え上げています。重力は距離が離れるにつれて弱まりますが、その影響はこれらの構造の規模の拡大によって部分的に相殺されます。「地図が外側に広がるにつれて、人々は調査範囲の端でますます大きな物体を特定し続けています」と、カナダのウォータールー大学の宇宙学者マイク・ハドソン氏は述べています。「私たちはより遠くまで観測していますが、常に視界のすぐ外側に大きな山が存在します。」これまでのところ、天文学者たちは局部銀河群の運動のうち、秒速約450～500キロメートルしか説明できていません。

しかし、天文学者たちはまだこの回避領域を同じ深さまで完全に調査できていません。そして、ほ座超銀河団の発見は、手の届かないところに何か巨大なものが存在する可能性を示しています。

2014年2月、クラーン＝コルテウェグ氏と南アフリカの西ケープ大学の天文学者ミシェル・クルーバー氏は、オーストラリアのアングロ・オーストラリアン望遠鏡で6夜にわたる観測を行い、ほ座超銀河団の地図作成に着手した。ケープタウン大学のクラーン＝コルテウェグ氏は、回避領域内のガスと塵が最も濃い場所を把握していたため、その領域を透過して観測できる可能性が最も高い地点を一つ一つ特定した。目標は、彼女が言うところの「骨格」となる構造を作成することだった。この装置の使用経験を持つクルーバー氏は、個々の銀河までの距離を読み取ることになっていた。

このプロジェクトにより、彼らはほ座超銀河団が実在し、天空を20度×25度に横切って広がっているという結論に至りました。しかし、超銀河団の中心核で何が起こっているのかはまだ解明されていません。「回避領域を横切る壁は見えていますが、交差する場所では塵のせいで現時点ではデータがありません」とクラーン＝コルテウェグ氏は言います。これらの壁はどのように相互作用しているのでしょうか？融合が始まっているのでしょうか？天の川銀河の輝きに隠れた、より密度の高い中心核が存在するのでしょうか？

そして最も重要なのは、ほ座超銀河団の質量はどれくらいなのかということです。結局のところ、重力の引力、つまり構造の形成を左右するのは質量なのです。

霧の中を見通す方法

ゾーン内の塵と星々は可視光線と赤外線の波長を遮断しますが、電波は透過します。これを踏まえ、クラーン＝コルテウェグは、ある種の宇宙電波ビーコンを用いて、回避ゾーンの最も厚い部分の背後にあるすべてのものを地図上に描き出す計画を立てています。

この計画の鍵は、宇宙で最も単純かつ豊富なガスである水素にあります。原子状水素は、1つの陽子と1つの電子で構成されています。陽子と電子はどちらもスピンと呼ばれる量子特性を持ち、これは各粒子に付いた小さな矢印のようなものです。水素では、これらのスピンは互いに平行に並び、同じ方向を向くことも、反平行に並び、反対方向を向くこともあります。時折、スピンが反転します。つまり、平行だった原子が反平行に変わるのです。このとき、原子は特定の波長の光子を放出します。

一つの水素原子がこの電波を放射する可能性は低いですが、中性水素ガスを多く集めると、検出される可能性が高まります。クラーン＝コルテウェグ氏とその同僚にとって幸運なことに、ベラ銀河の多くの構成銀河にはこのガスが豊富に存在します。

2014年の観測セッションで、彼女とクルーバーは、特定した銀河の多くが若い星を宿している兆候を観測しました。「若い星があるということは、最近形成されたことを意味し、ガスが存在することを意味します」とクラーン＝コルテウェグ氏は述べました。ガスは星を作る原料だからです。

天の川銀河にもこの水素が少し存在し、観測を妨げるもう一つの前面のもやとなっています。しかし、宇宙の膨張はほ座構造から来る水素を特定するために利用できます。宇宙が膨張するにつれて、私たちの局部銀河群の外側にある銀河は引き離され、電波はスペクトルの赤い端へとシフトします。「これらの輝線は分離するので、見つけることができるのです」と、ケープタウン大学の天文学者でほ座超銀河団発見チームの一員であるトーマス・ジャレット氏は述べています。

クラーン・コルテウェグ博士はこれまでの研究でほ座超銀河団の銀河を約5,000個発見しているが、この中性水素ガスの感度の高い電波探査によってその数は3倍になり、天の川銀河の円盤の最も密度の高い部分の背後にある構造が明らかになると確信している。

ここでMeerKAT電波望遠鏡が登場します。南アフリカの小さな砂漠の町カーナボン近郊に設置されたこの装置は、地球上のどの電波望遠鏡よりも感度が高いでしょう。64基目、そして最後のアンテナは10月に設置されましたが、まだいくつかのアンテナは接続と試験が必要です。32基からなる半アレイは今年末までに稼働し、全アレイは来年初めに稼働する予定です。

クラーン＝コルテウェグ氏は過去1年間、この半分のアレイ段階での観測時間確保に尽力してきたが、希望する200時間が認められなければ、アレイ全体で50時間の観測を期待している。どちらの観測方法も、数百光年離れた数千もの個々の銀河に存在する中性水素の電波信号を検出するために彼女と同僚たちが必要とする同じ感度を提供する。このデータがあれば、彼らは完全な構造が実際にどのように見えるかを地図上に描くことができるだろう。

宇宙盆地

リヨン大学の天文学者エレーヌ・クルトワは、ほ座の地図作成に異なるアプローチを採用している。彼女は宇宙の地図を作成し、それを分水嶺、つまり盆地に例えている。空の特定の領域では、銀河は共通の点に向かって移動する。まるで分水嶺に降った雨がすべて一つの湖や小川に流れ込むように。彼女と同僚たちは、物質がどの盆地に向かって流れるかという境界、つまり転換点を探している。

数年前、クルトワ氏とその同僚たちはこの手法を用いて、ラニアケアと名付けた局所的な大規模構造の定義を試みました。定義を強調することが重要だとクルトワ氏は説明します。銀河や銀河団の定義はあるものの、超銀河団や銀河壁といった宇宙のより大規模な構造については、一般的に合意された定義がないためです。

問題の一部は、統計的に厳密な定義を導き出すには超銀河団の数が足りないことです。既知の超銀河団を列挙することはできますが、数千もの銀河が集まった集合体である超銀河団は、その変動の大きさが未知数です。

現在、クルトワ氏と同僚たちは、さらに遠くの銀河に目を向けている。「ほ座は最も興味深い銀河です」とクルトワ氏は語る。「ほ座の引力の盆地、境界、フロンティアを測定したいのです」。彼女は自身のデータを用いてほ座に向かう流れを見つけ、そこからどれだけの質量がそれらの流れを引っ張っているかを推測している。これらの流れの線を、銀河が物理的に密集している場所を示すクラーン＝コルテウェグの地図と比較することで、ほ座の超銀河団の密度と、それがどれだけ遠くまで広がっているかを解明しようとしている。「この2つの方法は完全に補完的です」とクルトワ氏は付け加えた。

二人の天文学者は現在、ほ座の地図作成に協力している。地図が完成すれば、ほ座の質量を確定し、ひいては局部銀河群の運動における残りの謎を解き明かせると期待されている。「25年間私たちを悩ませてきたあの矛盾」だとクラーン＝コルテウェグ氏は言う。たとえ超銀河団が残りの運動の原因でなくても、そこに存在するものから「回避領域」を通して信号を集めることは、宇宙における私たちの位置を解明するのに役立つだろう。

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。