Cloud-9:2000 光年離れた星のない銀河のような天体を明らかにする

天文学者たちは、新しい種類の天体を特定した可能性があると考えています。これは、通常最も重要な天体を除いて、あらゆる点で銀河に似ているものです。

この物体にはガスが含まれています。重力があるのです。それは、宇宙全体の銀河を形作る目に見えない物質である暗黒物質の巨大なハローの中にあります。しかし、誰もが知る限り、それにはないのは星です。

Cloud-9として知られるこの天体は、長い間予測されてきたものの、納得のいく観測がなされていない「失敗銀河」というカテゴリーに属しているようだ。もしそれが確認されれば、それは根本的に異なる種類の宇宙構造を表すことになるでしょう。それは銀河のように形成されているものの、星が発火する閾値を越えることはなかったものです。

ただし、ここがキッカーです。Cloud-9 は星の光を完全に取り除くことで、天文学者に珍しいものを提供します。ほぼ単独で作用する暗黒物質とガスを直接観察できます。

予測がついに現実と一致する

現代の宇宙論は、宇宙には小さな暗黒物質の塊が満ちているはずだと予測しています。これらの塊は最初に形成され、次に通常の物質 (主に水素ガス) を引き込み、冷却されて崩壊し、最終的に星が形成される可能性があります。

しかし、落とし穴があります。すべての暗黒物質のハローがその飛躍を遂げるのに十分な大きさである必要はありません。

標準的な宇宙論モデルに基づいたこれまでのシミュレーションでは、多くのハローがわずかに及ばないことが示されています。彼らはガスを集めますが、特に再電離として知られる期間に宇宙が高エネルギーの紫外線で満たされた後、それを星に変えることはできません。これらの理論上の天体には、再電離限定 H I 雲 (RELHIC) という名前が付けられました。

RELHIC は銀河ではありません。それらは単なるガス雲でもありません。それらはその中間に位置し、天文学者は、銀河形成の端で行き詰まった、中性水素で満たされた暗黒物質が支配する構造と表現しています。

そして今まで、それらは主にコンピュータ画面上に存在していました。

よく知られた銀河の近くにある奇妙な信号

Cloud-9 は 2023 年に登場し、中国の口径 500 メートル球面望遠鏡 (FAST) を使用している天文学者が、地球から約 1,400 万光年離れた渦巻銀河メシエ 94 の近くに異常な中性水素の雲を検出しました。

銀河の近くで見られるほとんどの水素雲とは異なり、この雲はコンパクトで滑らかで、ほぼ球形でした。そのガスは内部運動をほとんど示さず、回転ではなく圧力によって保持されていることを示唆していました。それはすぐに他と区別することができました。

グリーンバンク望遠鏡と超大型アレイによる追跡観測により、検出が確認され、さらなる驚きが明らかになりました。 Cloud-9 は渦巻銀河メシエ 94 と同じ後退速度を共有しており、この 2 つの天体が偶然に並んだのではなく、物理的に関連していることを示しています。

Cloud-9 の水素コアは約 4,900 光年に及び、太陽質量約 100 万個のガスが含まれています。しかし、そのガスを安定に保つには、重力だけで水素が提供するよりもはるかに大きな質量が必要になります。

欠けている質量（太陽の質量の約 50 億倍）は、暗黒物質によってのみ説明できます。

銀河ではありませんが、何もないわけでもありません

一見すると、Cloud-9 は星がほとんどない暗い矮銀河と間違えられるかもしれません。天文学者の「死んだ銀河」の予感が正しければ、その可能性は決定的に排除されなければならなかった。

そのために、研究チームはハッブル宇宙望遠鏡に注目し、その高度な調査用カメラを使用して、最も暗い恒星集団さえも探索しました。もし Cloud-9 が普通の矮小銀河をホストしていたなら、ハッブルは少なくとも数個の古い赤色巨星を解決したはずです。

そうではありませんでした。

ディープイメージングと広範なシミュレーションの結果、研究チームは、Cloud-9 には最大でも太陽質量約 3,000 個相当の恒星が含まれていると結論付けました。これは既知の最も暗いガスを多く含む矮星銀河よりも桁違いに少ないものです。

著者らは発表した分析の中で、この観測は「この系が再電離限界HI雲（RELHIC）、つまり宇宙の紫外線背景と熱平衡にある静水圧ガスで満たされた星のない暗黒物質のハローであるという解釈を補強するものである」と書いている。

この声明により、Cloud-9 は、これまでこれほど自信を持って入力されたことのない理論上のカテゴリに分類されます。

このオブジェクトが新しいカテゴリを定義する理由

Cloud-9 はただ珍しいだけではなく、非常に特殊な物理的体制を占めています。

もしその暗黒物質のハローがもう少し質量が大きかったら、重力が熱圧力を圧倒するでしょう。ガスは冷えて断片化して星を形成し、Cloud-9 を認識できる銀河に変えます。もしハローがもう少し小さかったら、ガスはずっと前に剥ぎ取られるかイオン化されていたでしょう。

その代わり、Cloud-9 は、銀河形成が失敗する予測質量閾値にほぼ正確に位置しています。

そのため、矮小銀河、潮汐塵、または通常のガス雲とは質的に異なります。これは、初期に形成され、再電離を乗り越えてガスを保持し、その後停止した構造です。あたかも原初の状態で凍結したかのようです。

天文学者がこれを初期宇宙の化石と表現するのはこのためです。

暗黒物質へのきれいな窓

暗黒物質を研究する試みのほとんどは星に依存しています。天文学者は星の動きを追跡して、目に見えない質量がどれだけ存在するかを推測します。しかし、星は、爆発、放射能、風、周囲を乱すフィードバックなど、独自の望ましくない複雑な問題をもたらします。

Cloud-9 にはそのすべてが欠けています。

その水素ガスは、暗黒物質ハローの重力とほぼ完全にバランスが取れているように見えます。星などの妨害信号源がないため、強力な実験室になります。ガスがどのように分布し、どのように移動するかをモデル化することで、研究者は根底にある暗黒物質を直接調べることができます。

「この雲は暗い宇宙への窓です」と宇宙望遠鏡科学研究所のアンドリュー・フォックスは言いました。

言い換えれば、Cloud-9 を使用すると、天文学者は、通常は銀河が覆い隠す領域における暗黒物質の理論をテストできるようになります。

他の説明の除外

チームは別の解釈を慎重に検討しました。 Cloud-9 は天の川のハローの前景雲である可能性がありますか?その速度はそれを排除します。それは既知のガス流からの破片でしょうか?位置と動きが一致しません。

メシエ 94 を取り囲む高温物質からの圧力によって閉じ込められたガス雲はどうなるでしょうか?このシナリオは一時的には機能するかもしれないが、そのような雲は数千万年以内に粉砕されるはずだ。 Cloud-9 の比較的滑らかな構造は、長寿命で自己引力のあるものを示唆しています。

同量の水素を含む既知の矮小銀河と比較すると、Cloud-9 は際立って際立っています。これらの銀河にはすべて、はるかに多くの星が含まれています。 Cloud-9 の星に対するガスの比率は何百倍も大きくなります。

この極端な不均衡は、まさに RELHIC 理論が予測しているものです。

1 つのオブジェクトはまだ母集団ではありません

今のところ、Cloud-9 は 1 つのクラスのままです。

そのため天文学者は慎重になっている。単一のオブジェクトは誤解を招く可能性があります。しかし、それはまた、Cloud-9 の価値を高めます。将来の調査とシミュレーションのための明確な目標を提供します。

今後の電波観測により、他の銀河の近くに潜むさらに多くのRELHIC候補が明らかになる可能性がある。おそらくジェームス・ウェッブ宇宙望遠鏡を使用した、より深い画像化により、星の限界がさらに低くなる可能性があります。数値モデルは、Cloud-9 のわずかに歪んだガスの形状が、穏やかな環境影響を受けている失敗した銀河の予想と一致するかどうかをテストできます。

たとえCloud-9が最終的に小さな未検出の恒星集団をホストしていることが判明したとしても、その存在はすでに何か新しいことを示しています。それは、形成される銀河と、形成されそうになった銀河の間の薄い境界を示しています。

この発見はThe Astrophysical Journal Lettersに報告され、今週アリゾナ州フェニックスで開催されたアメリカ天文学会の第247回会合で発表されました。