南半球から空を見上げると、大マゼラン雲を見逃すことはほとんどありません。小さいながらも、天の川銀河の渦巻腕の 1 つに似ているという事実は、数十億個の星を持つ直径約 30,000 光年の小さな銀河であることを示しています。実際、どんな小さな望遠鏡でも、ちりの黒い塊で穴を開けられた輝く星雲が散在していることを示します。
また、天の川の周りをゆっくりと渦を巻いている衛星銀河はこれだけではありません。 1999 年までに、天文学者は十数個の伴星を発見しましたが、その多くは肉眼では見えませんでした。しかし当時、宇宙の進化のコンピューター シミュレーションは、天の川の周辺が活動で賑わうはずであると予測していました。数十ではなく、数千の小さな仲間をホストしています。では、失われた衛星はどこにあったのでしょうか?
この天文学的ななぞなぞは、20 年近くにわたって天文学者を悩ませてきました。研究者たちは、多くの潜在的な説明を思いつきました。銀河がどのように進化するかについての推測的な新しいアイデアを含むものもありました。宇宙の物質の 84% を構成する神秘的な物質である暗黒物質のエキゾチックな形態の存在を提案する人もいます.
しかし、ここ数年で奇妙なことが起こりました。新しい調査により、天文学者は以前は隠れていたより多くの衛星銀河を見つけることができました。同時に、最新のコンピューター シミュレーションでは、銀河の存在が以前よりもはるかに少ないことが予測されました。
実際、観測研究と理論シミュレーションからの銀河数の推定値は、互いにオーバーシュートするほど急速に収束しました。 2000 年代初頭、天文学者は衛星が少なすぎることを懸念していましたが、2018 年には衛星が多すぎるように見えました。失われた衛星の問題は裏返しになっていました.
しかし今、一部の天文学者は潜在的な解決策を見ています。逆説的に言えば、過剰な衛星を解決するということは、これまで考えられていたよりもさらに多くの衛星が存在する可能性があると仮定することを意味するかもしれません — それらが非常に小さい限り.
新しい種類の銀河
天文学者は、2004 年に行方不明の衛星の問題を解決するための最初の一歩を踏み出しました。当時、ニューヨーク大学のポスドクだったベス ウィルマンは、赤、オレンジ、青が散りばめられた同僚のコンピューター画面の暗い画像を見つめていることに気づきました。天の川からの前景の星と中央のかすかな汚れ。少なくとも彼女は中心に汚れがあると思った.彼女はそれが単に彼女の想像力によって作られたアーティファクトではないかと心配しました.
その汚れが実際の物理的な物体であることが判明した場合、それは超微光の矮小銀河である可能性があります。これは、当時存在することが知られている最もちっぽけな銀河のわずか 1% しかありません。
しかし、それは不可能に思えました。わずか 2 年前、天文学者たちは、矮小銀河が発見されるのを待っていない理由について議論を始めていました。さらに、そのような微弱な物体が、星形成を引き起こすのに必要なガスを保持できると考えるのは、とてつもないことのように思えました。 「私はそれを解釈するのを非常にためらっていました」とウィルマンは回想します。 「私は、『これらのオブジェクトは、実際には存在できないだろう』と考えました。彼らはとても弱虫に見えます。」
しかし、それは本物であることが判明しました。ウィルマンが最初の超微光矮小銀河を発見したことで、天の川銀河の外縁にはさらに多くの秘密が隠されていることが明らかになりました。
やがて、スローン デジタル スカイ サーベイとダーク エネルギー サーベイのおかげで、知られている衛星銀河の数は 50 を超えました。その多くは、ウィルマンが発見した天体に似ていました。
しかし、これらの調査でも全天をカバーすることはできませんでした。また、天の川付近にあるすべての矮小銀河を特定することもできませんでした。一部は単純に非常にかすかで、特定の距離を過ぎると見えなくなります。
2008 年には、天の川銀河に密集している矮小銀河の数についてより正確な予測を行うために、これらの検出限界を考慮した一連の論文が発表されました。それらの統計は驚くべきものでした。宇宙望遠鏡科学研究所の天文学者である Erik Tollerud と彼の同僚は、1,000 もの目に見えない矮小銀河が存在する可能性があると推定しました。これは、衛星が見つからない問題が始まったときに知られていた 12 の矮小銀河よりもはるかに多い数です。
カリフォルニア大学アーバイン校の天文学者、ジェームズ・ブロック氏は、「非常に小さな銀河の全集団がそこに潜んでいるという認識がありますが、私たちはそれらを見ることができません」と述べています. 「それらはこれらの小さな幽霊銀河です。」
一方、ブロックを含む研究者は、銀河形成の新しいコンピューター シミュレーションを実行しています。彼らは、天の川のような大きな銀河が宇宙の時間の経過とともにこれらの幽霊を食べているはずであることを発見しました.オハイオ州立大学の天文学者である Annika Peter は次のように述べています。「天の川はクッキー モンスターによく似ています。」
より良い宇宙モデル
宇宙の歴史に関する初期のコンピューター シミュレーション (天の川を周回する何千もの銀河があるはずだと予測したもの) には、大きな制限がありました。それらには暗黒物質しか含まれていませんでした。
シミュレーションは 2 つの理由で暗いものでした。 1 つ目は、宇宙の 140 億年の歴史を複雑にシミュレートすることはまったく不可能だということです。しかし、暗黒物質のみをモデル化すれば、実現可能になります。これは、暗黒物質が比較的単純であり、（私たちが知る限り）重力を介してのみ相互作用するためです。対照的に、通常の物質はさまざまな方法で相互作用します。たとえば、星は壊滅的に爆発する可能性があります。これらの爆発は宇宙にエネルギーを放出し、周囲のガスを加熱します。また、次世代の星の燃料となる重い元素を宇宙にまき散らします。
研究者は、これらの詳細は見落とされる可能性があると考えました。実際、暗黒物質のみのシミュレーションは、宇宙の大規模な宇宙構造を再現するという驚くべき仕事をしました。 2 つ目の理由は、暗黒物質が宇宙の配置に関与しているということです。
暗黒物質は、宇宙全体に散在する銀河を支える足場を提供します。天の川を例にとります。私たちの銀河は、象徴的な渦巻き円盤をはるかに超えて広がる巨大な暗黒物質の雲、またはハローに埋め込まれています。宇宙学者は、ハローが最初に形成されたと信じています。やがて、この暗いハローからの引力が、私たちが「天の川」について考えるときに思い浮かべる塵と星の渦巻く円盤を形成するすべての通常の物質を引き付けました。
さらに、このハローには、大マゼラン雲や小マゼラン雲などの衛星銀河の宇宙の足場を形成する多数のミニ ハローが含まれています。このため、ダーク シミュレーションは実際には、宇宙内の目に見える物質のかなり良い近似値です。
良いですが、完璧ではありません。天文学者がコンピューティング設備を利用しやすくなり、エンジニアがより高速なプロセッサを構築し、科学者が通常の物質を取り巻く物理プロセス (恒星爆発の無慈悲な影響など) をよりよく理解し始めるにつれて、通常の計算を含む複雑なシミュレーションに必要なツールを手に入れるようになりました。
2016 年、カリフォルニア大学デービス校のアンドリュー ウェッツェルと彼の同僚は、中央の大質量銀河とその矮星の軍団の最初のリアルなシミュレーションの 1 つを作成しました。それは以前の暗いモデルとはまったく似ていませんでした。ウェッツェルのモデルでは、中央銀河が非常に多くの矮星を破壊したため、140 億年の実行後に 13 だけが残った。以前は矮小銀河が豊富に存在していましたが、現在はほとんど存在していません.
天文学者はその理由を理解しようと試みました。カリフォルニア工科大学の天文学者である Shea Garrison-Kimmel と同僚と共に Wetzel が 2017 年半ばに発表した 2 つ目の論文では、通常の物質を含むシミュレーションとそうでないシミュレーションを比較しました。彼らは、通常の物質を使ったシミュレーションで、銀河円盤の余分な体積が中心銀河にはるかに強い重力場を与えることを発見しました。そして、それがすべての違いになります。それがなければ、矮星は天の川に出入りし、無傷で逃げます。しかし、通常の物質では、円盤はそれらを細断します。
この作業により、モデルによって予測された矮星の数がさらに減少しました。また、逆説的に、天文学者が天の川の端に潜んでいると考える矮星の数を増やし続けました.
天の川のシミュレーション
Garrison-Kimmel と彼の同僚は、天の川の円盤は貪欲で矮星を食べているが、円盤に近い銀河だけを食べていると主張した。 「家にあるクッキーは全部食べてしまいますが、パン屋に行ってそこにあるクッキーを食べに行くことはないでしょう」とピーターは言いました。
そのため、天の川の円盤に近い矮小銀河は比較的少なく、天の川のハローの外縁に向かってはるかに多くの銀河が残っていることを期待する必要があります。ピーターと彼女の同僚がこれを考慮したとき、最高の観測所が検出できる限界をわずかに超えた 800 から 1,700 の衛星がある可能性が高いと推定しました。しかし、初期の宇宙でいくつの衛星が形成されたはずかをシミュレーションしたところ、その数ははるかに少なく、100 から 300 であることがわかりました。
Bullock と彼の同僚による 11 月の研究では、この問題はさらに深刻である可能性があることが示唆されています。天の川とほぼ同じ大きさの特徴のない銀河に単純に焦点を当てた以前のシミュレーションとは異なり、この新しいシミュレーションは天の川自体をモデル化しようとします。 Bullock のチームは、天の川の質量、構造、および進化の最良の推定値を得るために、さまざまなシミュレーション (すべてエルビス プレスリーのさまざまな曲にちなんで名付けられた) を作成しました。
これらのシミュレーションは、私たちの天の川がまさにクッキー モンスターであると結論付けました。現在まで生き残った衛星銀河は 30 個しかないはずです。これは、天文学者がすでに発見した数よりも少ないです.
どちらの研究も、研究者が 20 年前とは逆の問題を抱えていることを示しています。天の川銀河の周りには数千の銀河が群がっているように見えますが、シミュレーションでは数十しか予測されていません。 「それはこの興味深い緊張を生み出します — それはモデルをひっくり返しました」と Bullock は言いました.
銀河を形成するのに十分小さい
しかし、ブロックと彼の同僚は、問題の概要を説明しただけでなく、解決策も提案しました。シミュレーションは、天の川の周りに多くの暗黒物質のミニハローが形成されたことを長い間示唆してきました.しかし、天文学者は、これらのハローは銀河を形成しなかったと主張しました。閾値があり、その閾値を下回ると、これらのハローには、星を形成するのに必要なガスを保持するのに十分な重力がありません。したがって、それらは星がなく、目に見えませんでした.
ほぼ 20 年間、天文学者は、銀河を形成できるダークマター ハローの質量のしきい値は、太陽の質量の約 5 億倍であると考えていました。しかし、Bullock のチームは、それははるかに低く、太陽の質量の約 3,000 万倍であると考えています。
このような暗黒物質の小さな塊が通常の物質をつかんで星 (そして銀河) を作ることができれば、シミュレーションは観測と一致し始めます。実際、Bullock のチームは、不気味なほどリアルな銀河をモデル化することができました。シミュレートされたミニ ハローの数が、観測によって予測された数と一致するだけでなく、銀河の軌道の形状も、私たちがすでに検出したものと似ています。 「そのプロットを作成したとき、私は失敗したと思ったが、それらは非常に密接に一致していた」と、研究を主導したアーバインの大学院生であるタイラー・ケリーは述べた.
これらのミニ ハローが、これまで考えられていたよりもはるかに小さい矮小銀河をどのように形成するかは謎ですが、天文学者が暗黒物質の性質を理解するのに役立つ可能性があります。
ほとんどの宇宙論者は、暗黒物質粒子は「冷たい」、つまり動きが遅いと考えています。このため、それらは合体して多数の小さなハローになり、矮小銀河が形成される多くの場所を提供します。しかし、定義上より速く動く「暖かい」または「熱い」暗黒物質は、それほど簡単に合体することはできません。実際、ホット パーティクルはミニ ハローをまったく形成できません。したがって、これらの小さな銀河の完全な存在は、暖かい暗黒物質が関与していない可能性が高いことを示しています.ブロック氏は、「代替の暗黒物質シナリオにとっては非常に悪いニュースです。 「彼らは到着したばかりで死んでいます。」
そして、その重要性を過小評価することはできません。フェルミ国立加速器研究所の天文学者であるアレックス・ドルリカ・ワグナーは、「これは大きな聖杯です。暗黒物質の粒子特性が何であるかを突き止めて、宇宙のこの欠けている要素を理解できるようにすることです。」 /P>
そして、それは重要な時期に訪れます。ウィルマンは、科学者がこれらの小さな銀河を本当に利用して、暗黒物質について基本的なことを学ぶことができるかどうか疑問に思い始めたことを認めています. 「しかし、[ケリーの] ような研究で、私は実際に動き始めており、私たちが正しい軌道に乗っていると思い始めています」と、現在アリゾナ大学の天文学者であり、国立センターの副所長であるウィルマンは言いました。光赤外線天文学のための. 「これらの超微光矮星から学んだことを、暗黒物質について何かを学ぶことへと拡張することができるようになりつつあるように感じます。」
そうは言っても、ウェッツェルは、天の川が単なる外れ値ではないかと考えています.そのため、彼は天の川を越えて観測を押し進める大型シノプティック サーベイ テレスコープのような将来の調査を切望しており、アンドロメダ座を周回する銀河を含め、天文学者が私たちの近隣で行方不明になっている銀河をより適切に処理するのに役立ちます.
そして将来の研究で、これらのちっぽけな銀河が天の川銀河、アンドロメダ銀河、その他の銀河の周りに大量に存在することが証明されれば、暗黒物質に関する私たちの理解に影響を与えるだけではありません。また、宇宙全体の銀河の数も増加します。
Bullock は、約 1,000 個の小さな銀河が、天の川のようなすべての大きな銀河を周回している可能性が高いと主張しています。さらに、矮小銀河は、大きな銀河の間の一見何もない空間の広大な広がりをも覆っています。そのため、宇宙のすべての大きな銀河には、100,000 もの矮小銀河が存在する可能性があります。
今日、天文学者は、観測可能な宇宙全体に 1,000 億個の銀河がある可能性が高いと推定しています。しかし、これらは天の川サイズの銀河です。これらの小さな銀河までカウントダウンを拡張すると、合計で 1,000 万個以上の銀河が存在する可能性があります。
ハッブル超深宇宙のあの古典的な画像を思い浮かべてください — 暗い空の小さなパッチで 10,000 の銀河を明らかにした忘れられない 100 万秒の露光です。その画像には、視界から隠れている 10 億個の小さな銀河が含まれている可能性があります。確かに、それらはハッブルのアーカイブで私たちが見た象徴的な銀河のようには見えないかもしれません.2004年にウィルマンが検出したかすかな汚れに似ている. /P>
2019 年 1 月 10 日訂正:この記事の以前のバージョンでは、天の川などのすべての大きな銀河に 100,000 個の追加の矮小銀河がある場合に存在する銀河の数が誤って記述されていました。ハッブル超深宇宙には、100,000 ではなく、10 億の銀河があります。
