私たちの銀河系の星々は過去の記録を保持しています。天文学者たちはこれらの物語を読むことで、天の川がどのようにしてできたのか、そして私たちが今日住んでいる銀河についてさらに詳しく学んでいます。
はじめに
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の上にあるウィルソン山天文台にあるフッカー望遠鏡の接眼レンズに座っていました。彼は北の空にある物体を観察していました。肉眼では、かすかな汚れとして見えました。しかし、望遠鏡を通して見ると、それはアンドロメダ星雲と呼ばれる輝かしい楕円形に尖りました。天の川（当時は宇宙全体であると考えられていました）の大きさに関する論争に決着をつけるために、ハッブルはアンドロメダと私たちからの距離を決定する必要がありました。
望遠鏡の視野では、アンドロメダは巨人に見えました。ハッブルは、多くのガラス写真乾板をカバーする複数の露出を辛抱強く撮影し、10月6日の早朝、小さなガラス板に45分間露出し、3つの新しい星、つまり新星が見えた場所に「N」を走り書きしました。しかし、自分の画像を他の天文学者が撮影した写真と比較したとき、彼の新しい新星のうちの 1 つが実際にはセファイド変光星、つまり天文学的な距離を測定するために使用できる星の一種であることに気づきました。
彼は「N」を 1 つ消して、「VAR!」と書きました。
ハッブルは、この脈動する星を使って、アンドロメダが地球から 100 万光年、天の川の直径よりはるかに長い距離にあることを計算しました (ハッブルはわずかにずれていました。アンドロメダは約 250 万光年離れています)。そして彼は、アンドロメダが単なる星雲ではなく、私たちの銀河とは異なる「島宇宙」全体であることに気づきました。
宇宙が故郷の銀河とより大きな宇宙に分裂することで、私たちの有限な故郷、そしてそれがその宇宙の中でどのように存在するかについての研究が本格的に始まる可能性がある。 1世紀を経た今も、天文学者たちは人類がこれまでに居住する唯一の宇宙の島について予期せぬ発見をし続けている。彼らは、初期の宇宙で天の川がどのように形成され成長したかを再考し、その不均一な形状を精査し、惑星を形成する能力を研究することによって、天の川銀河の特徴の一部を説明できるかもしれません。過去 4 年間に蓄積された最新の結果は、現在、ユニークな時期にユニークな場所としての我が家の姿を描きつつあります。
私たちは幸運だったようで、その存在のほとんどの間ほとんど放置されてきた、中世の、奇妙に傾き、ゆるく渦巻いている銀河の穏やかな縁にある、特に静かな星の近くに住んでいるように思えます。
私たちの島の宇宙
地球の表面からは、非常に暗い場所にいる場合は、天の川銀河円盤の明るい縞模様を真正面から見ることしかできません。しかし、私たちが住んでいる銀河系はもっと複雑です。
超大質量ブラックホールがその中心で渦巻いており、その周囲を「バルジ」、つまり銀河最古の恒星の住人が含まれる星の塊である「バルジ」に囲まれている。次に、太陽を含む天の川銀河のほとんどの星が巨大な螺旋状の腕に分割されている「薄い円盤」、つまり私たちが見ることができる構造です。薄い円盤は幅の広い「厚い円盤」に包まれており、その中にはより広がった古い星が含まれています。最後に、ほぼ球形のハローがこれらの構造を取り囲みます。大部分は暗黒物質でできていますが、星や拡散した高温ガスも含まれています。
メリル・シャーマン/クアンタ・ マガジン
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。各星の組成には、その出生地、年齢、出生時の成分が記録されているため、星の光を研究することで、系図だけでなく銀河地図作成も可能になります。星を時間と場所に配置することで、天文学者は歴史をたどり、天の川が何十億年にもわたって少しずつどのように構築されたかを推測することができます。
原初の天の川銀河の形成を研究する最初の大規模な取り組みは 1960 年代に始まり、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であるアラン・サンデイジが、銀河は回転するガス雲から崩壊したと主張した。その後長い間、天文学者たちは、私たちの銀河に現れる最初の構造はハローであり、次に明るく密度の高い星の円盤が続くと考えていました。より強力な望遠鏡がオンラインになるにつれて、天文学者はますます正確な地図を作成し、銀河がどのように集まったかについてのアイデアを洗練し始めました。
2016 年にすべてが変わりました。欧州宇宙機関のガイア衛星からの最初のデータが地球に戻ってきたときです。ガイアは銀河全体の何百万もの星の経路を正確に測定し、天文学者がそれらの星がどこに位置するか、それらが空間をどのように移動するか、そしてどのくらいの速度で移動するかを知ることができます。ガイアのおかげで、天文学者は天の川のより鮮明な絵を描くことができ、その絵から多くの驚きが明らかになりました。
この膨らみは球形ではなくピーナッツ形で、銀河の中央に広がる大きな棒の一部です。銀河自体は、ボロボロのカウボーイハットのつばのように歪んでいます。厚い円盤も広がっていて、端に向かって厚くなっており、ハローの前に形成された可能性があります。天文学者は、この銀河に実際に渦巻き腕が何本あるのかすら知りません。
私たちの島の世界の地図は、かつて思われていたほど整然としたものではありません。穏やかでもない。
「天の川銀河の伝統的な写真を見ると、素晴らしい球形のハローと規則正しく見える円盤があり、すべてがある程度落ち着いて静止しています。しかし、現在わかっていることは、この銀河は不平衡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・コンロイ氏は言う。 「シンプルで整然としているというこのイメージは、ここ数年で完全に捨て去られました。」
天の川の新しい地図
エドウィン ハッブルがアンドロメダがそれ自体が銀河であることに気付いてから 3 年後、彼と他の天文学者たちは何百もの島宇宙の画像化と分類に忙しくしていました。これらの銀河は、いくつかの一般的な形状とサイズで存在しているように見えたので、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、銀河を楕円形と渦巻形の 2 つのカテゴリに分類します。
天文学者は今でもこのスキームを使用して、私たちの銀河を含む銀河を分類しています。今のところ、天の川は渦巻状で、腕が星 (したがって惑星) の主な苗床となっています。半世紀にわたり、天文学者たちは、射手座腕、オリオン腕、ペルセウス腕、白鳥座腕の 4 つの主要な腕があると考えていました (私たちは、想像力を欠いて局部腕と呼ばれる、より小さな枝に住んでいます)。しかし、超巨星やその他の天体の新たな測定結果は異なる状況を描いており、天文学者たちは腕の数やその大きさ、さらには私たちの銀河が島々の中で奇抜であるかどうかさえも意見が一致していません。
「驚くべきことに、中心から外側領域まで伸びる 4 つの渦巻きを呈する外部銀河はほとんどありません」と、中国紫山天文台の天文学者 Xu Ye 氏は電子メールで述べています。
天の川の渦巻き腕を追跡するために、葉氏らはガイアと地上の電波望遠鏡を使用して若い星を探した。彼らは、他の渦巻銀河と同様に、天の川銀河にはペルセウス座とノルマという 2 本の主腕しかないことを発見しました。ケンタウルス腕、射手座腕、りゅうこつ腕、外側腕、局部腕など、いくつかの長くて不規則な腕もその中心部に巻き付いています。少なくとも形状においては、天の川は天文学者が考えていたよりも遠く離れた宇宙の島々に似ている可能性があるようです。
「渦巻状の天の川を研究すれば、それが観測可能な宇宙にある何十億もの銀河の中で唯一のものであるかどうかが明らかになるかもしれない」と葉氏は書いている。
コズミックショア
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有名な天文学者、ハーロー・シャプリーとの激しいライバル関係から生まれました。ハーバード大学の天文学者ヘンリエッタ・スワン・リービットは、セファイド変光星を使って距離を測定する先駆者であり、シャプリーは彼女の方法を使用して天の川の直径が30万光年であると計算した。これは1919年当時、ほとんどの天文学者が太陽が銀河の中心にあり、銀河全体が3,000光年に及ぶと信じていた驚くべき主張である。したがって、シャプレーは、他の「渦巻星雲」はガス雲に違いなく、別々の銀河ではないと主張しました。なぜなら、その大きさは、それらが考えられないほど遠くにあることを意味するからです。
ハッブルは変光星の測定結果を記録し、アンドロメダが確かに別個の銀河であることを皆に納得させました。 「これが私の宇宙を破壊した手紙です」とシャプリーはハッブルのデータを見て言ったと言われています。
しかし、天文学的な距離という点で言えば、シャプレーはそれほど遠くなかったのかもしれない。この 1 世紀の間に、天文学者は、天の川の膨らみの直径が約 12,000 光年、円盤の広がりが 120,000 光年、暗黒物質と古代の星団のハローがあらゆる方向に数十万光年広がっていると計算しました。
最近の観測では、一部のハロー星が 100 万光年離れたところ、つまりアンドロメダ座の半分に散在していることが判明しました。これは、ハロー、つまり銀河が、それ自体が完全な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らは最近、恒星のハローは長い間考えられていたような球形ではなく、フットボールのような形をしていると断定した。 9 月 14 日に発表された研究で、ハンと彼のチームは、暗黒物質のハローが約 25 度傾いて、銀河全体が歪んで見える可能性があることも示しました。
それは十分に奇妙に思えるかもしれませんが、傾き自体が天の川の暴力的な過去の証拠である可能性があります。
銀河の混乱
ハッブルが接眼レンズに座るはるか昔、太陽が誕生するずっと前、天の川が存在するずっと前に、ビッグバンによってすべての物質が引き裂かれ、生まれたばかりの宇宙全体に無差別にばらまかれました。最初の銀河は最終的にランダムな残骸の破片から形成され、私たちにつながる 130 億年のシーケンスが始まりました。天文学者たちは、これらの出来事がどのように展開したかの複雑さについて議論していますが、私たちが現在住んでいる銀河が、合併や買収を含む複雑なプロセスを経て成長したことを知っています。
宇宙全体で、銀河が衝突し、結合して、想像を絶する巨大な災害が発生します。エドウィン ハッブルにちなんで名付けられた望遠鏡は、こうした宇宙の玉突き現象を常に捉えています。そして、今日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、ガスの流れ、数千から数百万の星のいわゆる球状星団、さらには飲み込まれた矮小銀河の影によって保存されている考古学的記録を精査することで、科学者は天の川銀河がどのように進化したのかについてさらに詳しく学んでいます。
暴力の最初の兆候は、1992年にパロマー天文台の有名な200インチ望遠鏡（ハッブルが最初に使用した）を覗いていた天文学者たちが、天の川がハロー内の球状星団の一部を引き裂いているという証拠を発見したときにもたらされた。スローン デジタル スカイ サーベイによってその観測が確認され、その後、電波望遠鏡によって、この銀河が近くのガスの流れも吸い込んでいることが判明しました。
2018年半ばまでに、天文学者らは、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いたが、そのほとんどは小規模な出来事であったと考えた。最近最大の合体は100億年前で、射手座矮小楕円銀河が関与していると考えられており、ガスの流れと星のグループが天の川銀河の恒星の暈に寄与した。しかし、2018 年にガイア衛星が 2 番目のデータセットをリリースするまで、天文学者はこれらの天体を完全には理解していませんでした。
天文学者たちが約10億個の星の詳細な動きと位置を詳しく調べていると、銀河に大きな擾乱の兆候が現れ、ハローの中に銀河の残骸が見えました。そこでは、いくつかの星が極端な角度で公転し、他の星とは異なる組成を持っており、それらがどこか別の場所で発生したことを示唆しています。
天文学者たちは、これらの奇妙な星を、天の川と別の銀河との間の巨大な衝突の証拠とみなしました。おそらく 80 億年から 110 億年前の間に起こったこの合体は、若い天の川銀河を壊滅的に破壊し、もう一方の銀河をズタズタに引き裂き、新しい星形成の激しい嵐を引き起こしたでしょう。
衝突している銀河の残骸は現在、ガイア・ソーセージ・エンケラドゥスと呼ばれており、これは 2 つのチームが独立して合併の残骸を発見した結果です。あるチームは、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。もう一人は、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、到来銀河が関与した唯一の銀河であることに異議を唱えており、代わりに、より長い期間にわたる多数の小さな衝突が現在私たちが見ている構造をもたらした可能性があることを示唆しています。)
この合併により、天の川銀河のハローのコース、内側の膨らみ、平らになった円盤など、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用して、ガイア-ソーセージ-エンケラドゥスの衝突のタイミングと、その結果として幼子天の川がどのように成長したかを理解しています。
2022 年 3 月、マックス・プランク天文学研究所のマオシェン・シャン氏とハンス・ウォルター・リックス氏は、合併前に存在した原始銀河である天の川銀河 1.0 を定義することから始めました。彼らは、太陽よりも小さい古代の亜巨星を使ってこれを行いましたが、その星は水素燃料を使い果たし、現在は膨らみつつあります。亜巨星の明るさはその年齢に対応しており、その光はその誕生物質の指紋として機能します。 Xiang と Rix がこれらの手がかりを使用して 25 万個の亜巨星の移動履歴を推測したところ、厚い円盤が銀河形成理論の予想よりも早く形成されたことがわかりました。それは 130 億年前、ビッグバンからほんの一瞬の時間前です。
一般的な宇宙論では、ビッグバンの後、このような大きく明確に定義された構造が形成されるにはもっと時間がかかったはずだと示唆しています。それでも、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡による遠方の銀河の観測では、それらの銀河が出現し続けている、とジョンズ・ホプキンス大学の天体物理学者、ローズマリー・ワイス氏は述べています。
「私たちの銀河がどのように形成されたと考えているかと、JWST が観察していることを結び付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画像を得ることができますか? 私たちの銀河は典型的なものですか?」彼女は言いました。
厚い円盤は主な合併の前に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着と同時に発生したことが、シャンとリックスによって発見された。異なる恒星円盤を生成するこの 2 つの方向からなる集合プロセスは一般的である可能性があり、星の形成を促すために重要である可能性があります。あの狂乱以来、出生率は低下していますが、天の川は依然として年間約 10 ～ 20 個の新しい星を生み出しています。
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) ルーは、銀河円盤の歴史とそれが時間の経過とともにどのように変化したかを理解したいと考えていました。そのために、彼女は星の生涯にわたる化学変化がその誕生場所の特定にどのように役立つかを研究しました。彼女は同様のふくらんだ亜巨星に焦点を当て、未発表の新しい研究で、金属が豊富な亜巨星、つまりヘリウムより重い元素を豊富に含む亜巨星が、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の頃、本格的に成長し始めたことを発見しました。
ガイア-ソーセージ-エンケラドゥスに関する証拠は増え続けています。しかし、天文学者たちがまだ理解していないのは、なぜそれ以来、事態が穏やかになっているのかということだ。天の川の化学史と構造史は典型的ではないようだとルー氏は述べた。
たとえば、アンドロメダには、天の川銀河よりもはるかに暴力的な歴史があります。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モデルを考慮すると、私たちの銀河がこれほど長い間放置されるのは奇妙だろうとワイス氏は語った。 「融合の歴史は異常であり、集合の歴史も異常です。私たちが実際に宇宙の中で異常であるかどうかは、まだ未解決の問題だと言えます。」
新しい島の誕生
天文学者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と同じように互いにどのように異なっているのかを研究している天文学者もいます。その可能性は、惑星 (そしておそらく生命) が銀河全体にどのように分布しているのかという疑問を引き起こします。
ここでは、ローカルアーム上の 1 つの特定の星の周りで、太陽の周りに 8 つの惑星 (4 つは岩石、4 つはガス) が形成されました。ただし、他の腕は異なる場合があります。それらの環境は、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方法で、星や惑星の異なる集団を生み出す可能性があります。
「おそらく生命は、本当に静かな銀河でしか生まれないのかもしれない。生命は、本当に静かな星の周りでしか生まれないのかもしれない」と、銀河の状態とそれが惑星形成に及ぼす影響を研究しているカリフォルニア工科大学の天文学者ジェシー・クリスチャンセンは言う。 「この 1 つの統計サンプルを扱うのは非常に困難です。[私たちの銀河に関する] 何かが重要になる可能性もあれば、何も重要でない可能性もあります。」
エドウィン・ハッブルが「VAR!」と走り書きしてから 1 世紀。ガラス板上で、JWST の視野内で分解される銀河の集合体は、宇宙とその中での私たちの位置についての私たちの知識を変えています。天の川銀河を天体物理観測所として使用して、より広い宇宙を理解できるのと同じように、より広い宇宙とその数十億の銀河を使用して、私たちの故郷と私たちがどのように生まれたのかを理解することもできます。
天文学者たちはハッブルのプレイブックからページを取り出し、北の空にある淡い楕円であるアンドロメダを精査し続けています。ガイアが身近なところで行っているように、キットピーク国立天文台のダークエネルギー分光装置は、アンドロメダの個々の星を測定し、その動き、年齢、化学物質の存在量を精査する予定です。ワイス氏はまた、マウナ ケアのすばる望遠鏡を使用して、隣の銀河にある個々の星を研究することも計画しています。
そうすることで、アンドロメダの過去について新たな視点が得られ、私たち自身の銀河系との新たな比較が可能になります。それはまた、非常に遠い未来をかすかに垣間見ることにもなります。私たちの銀河は、最終的には近くにある 2 つの小さな銀河、大マゼラン雲と小マゼラン雲を破壊するでしょう。これらの雲は私たちの方向に宇宙を越えて叫び声を上げています。私たちの銀河系はすでにそれらを消化し始めています。
「今から10億年後にこのすべてを観察していたら、もっと乱雑に見えるだろう」とコンロイ氏は語った。 「私たちはたまたま、物事が比較的静かな時期に来ているだけです。」
次はアンドロメダも参加します。エドウィン ハッブルのガラス板に広がる銀河は、もはや島宇宙ではなくなります。アンドロメダと天の川は互いに向かって螺旋を描き、星の光輪が一緒に渦を巻きます。理解を超えた時間スケールを経て、円盤も結合し、冷たいガスを加熱し、それを凝縮させて新しい星を点火させます。次にどのような構造物が建設されるにせよ、その端には新しい太陽が出現し、それらとともに新しい惑星も出現するでしょう。しかし今のところ、ここ、私たちが知ることになる唯一の銀河の地方腕では、すべてが静かです。
