アルマ望遠鏡が観測した、124億年前の銀河BRI 1335-0417。銀河に含まれる炭素イオンが放つ電波を観測した画像です。中心部の明るい部分の上下に、渦巻き構造が見えています。
Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), T. Tsukui & S. Iguchi

私たちが住む天の川銀河は、中心に巨大ブラックホールを宿し、数千億個の星、ガスと塵（ちり）からなる星間物質、そして正体不明のダークマターなどが集まった天体です。天の川銀河の星や星間物質は、渦巻き模様の薄い円盤状に分布しています。また、天の川銀河の中央部には多くの星で構成された「バルジ」があり、やや膨らんだ構造をしています。宇宙には様々な形の銀河がありますが、その中で渦巻銀河が占める割合は70%にも達します。渦巻銀河は現代の宇宙ではありふれた存在であり、宇宙を構成する基本的な天体といえます。

天の川銀河の模式図。中心部に星が集まったバルジがあり、その外側に渦巻き構造があります。
Credit: 加藤恒彦, 4D2U Project, NAOJ, ALMA (ESO/NAOJ/NARO)

一方で、宇宙の歴史を遡るにつれて渦巻銀河の割合は急激に低下していきます。望遠鏡技術の進展のおかげで100億年より昔の宇宙にも莫大な数の銀河が見つかっていますが、そのうち渦巻銀河は数個にとどまります。では、138億年の宇宙の歴史の中で、渦巻銀河はいつごろ作られたのでしょうか。これまでの観測でもっとも古い時代に見つかった渦巻銀河は、今からおよそ114億年前のものでした。では、さらに古い時代には渦巻銀河は無かったのでしょうか。

総合研究大学院大学物理科学研究科天文科学専攻の大学院生として国立天文台で研究活動を行う津久井崇史氏と、指導に当たる井口聖 国立天文台/総合研究大学院大学教授は、アルマ望遠鏡の観測データが蓄積されているデータアーカイブの中で、ひとつの銀河に注目しました。BRI 1335-0417と呼ばれるこの銀河は、124億年前の宇宙に存在していたことが過去の観測から明らかになっていました ^[1] 。BRI 1335-0417は赤外線で極めて明るく輝く銀河であり、遠赤外線領域での明るさは太陽の10兆倍にも及びます。強い赤外線は、この銀河の中で非常に活発に星が生み出されていることを示しています。大量に作られた星からの光を吸収することで銀河内の塵が温まり、強い赤外線を出すのです。一方、大量の塵が星の光をさえぎってしまうため、可視光では銀河の構造を調べることは困難です。アルマ望遠鏡は、星の材料となるガス中の炭素イオンが放つ電波を観測しました。これにより、この銀河の中心部での活発な星形成活動と銀河の構造を調べことができます。

津久井氏らがBRI 1335-0417のデータを分析したところ、コンパクトで明るい中心部と、その両側に2本の腕を持つ渦巻き模様のような構造が見出されました。これは、中心にバルジを持つ渦巻銀河の構造によく似ています。また、電波のドップラー効果をもとにしてこの銀河のガスの動きを分析したところ、天の川銀河のような渦巻銀河で見られるガスの動きのパターンとよく一致していることが明らかになりました。

津久井氏は「遠方銀河でこれほどはっきりとした回転する円盤と渦巻き構造、中心集中した質量構造の証拠を示すものは、どの先行文献でも見たことがなかったので興奮しました。観測データの質がよく、近くにいる銀河かと思うくらい詳細な姿を見ることができました。」とコメントしています。

BRI 1335-0417の渦巻き構造は、中心から少なくともおよそ15,000光年の距離まで広がっていることが明らかになりました。天の川銀河の直径は約10万光年といわれていますので、今回の観測で明らかになったBRI 1335-0417の大きさは、天の川銀河の1/3ほどとなります。また、ガスの動きから推測されたBRI 1335-0417の質量は、円盤部分とバルジ部分を含めて、太陽質量の600億倍程度となりました。一方、天の川銀河のバルジと円盤部分に存在する星と星間物質の総質量は、近年の観測によれば太陽の600億倍から700億倍程度と考えられています。津久井氏は、「BRI 1335-0417が非常に遠方にある天体であり、今回の観測で銀河の本当の端まで見えているとは限りません。宇宙初期に存在した銀河としては、BRI 1335-0417はとても巨大な銀河であると言えるでしょう」とコメントしています。

宇宙誕生後14億年という比較的短いタイムスケールの中で、BRI 1335-0417の渦巻き構造がどのようにしてできたのかは、大きな謎です。渦巻き構造の成因としては、3つの説が考えられます。ひとつめは、この銀河が別の小さな銀河と衝突したことで、銀河円盤に波が立つようにして渦巻き構造ができた、というものです。ふたつめは、BRI 1335-0417と同規模の銀河とまさに衝突している最中であり、これによって銀河の形が引き延ばされているというものです。第3の説は、 BRI 1335-0417の中心に棒状の構造ができていて、これが回転することで銀河円盤に渦巻き構造を作ったという考え方です。これらを議論するヒントになるのが、 BRI 1335-0417が活発に星形成をしているという特徴です。同規模の銀河との衝突直後には爆発的に星が生成されると考えられています。しかし、銀河円盤も大きくかき乱されると考えられることから、これはBRI 1335-0417が整然と回転する円盤構造を持つことと矛盾します。そこで、ガスの動きを分析すると、銀河の外側では星間物質が重力に対して不安定になっており、星間物質の雲が重力によって収縮して星ができやすい状況になっていることがわかりました。外部から大量のガスが供給されているとこのような状況になりやすいことから、小さな銀河との衝突によってガスが流れ込んでいる可能性を示唆していると研究チームは考えています。

スーパーコンピュータによる渦巻銀河形成のシミュレーション。およそ135億年の間に小さな銀河が次々と合体し、ひとつの巨大な渦巻銀河に成長していきます。なお、この映像は2007年に作成されたもので、今回の研究を再現するために行われたものではありません。
Credit: 武田隆顕，額谷宙彦，斎藤貴之，国立天文台4次元デジタル宇宙プロジェクト
BRI 1335-0417は、今後どのように進化していくのでしょうか。これまでの観測から、BRI 1335-0417は塵を大量に含み活発に星を生み出す銀河であることがわかっていました。太古の宇宙でのこうした銀河は、現在の宇宙にある巨大楕円銀河の祖先であると考えられていました。つまり、今後BRI 1335-0417は円盤型から楕円形へと姿を変えていくのかもしれません。あるいは従来の考え方とは違って、BRI 1335-0417はこのまま長期にわたって渦巻き構造を持つ銀河であり続けるのかもしれません。長い宇宙の歴史の中での銀河の形の変遷を明らかにする研究において、BRI 1335-0417は重要な役割を果たすことでしょう。

井口氏は、「我々が住む地球がある太陽系は、天の川銀河の渦巻き構造の腕の中にあります。このような渦巻き構造が、いつどのようにして作られたのか、そのルーツを辿ることは我々の太陽系がどのような環境のもとで誕生をしたのかを探る手掛かりとなるでしょう。この研究により、さらに銀河の形成史の理解が進むことを期待します。」と語っています。

論文情報
この研究成果は、T. Tsukui & S. Iguchi “Spiral morphology in an intensely star-forming disk galaxy more than 12 billion years ago”として、米国の科学誌「サイエンス」オンライン先行公開版に2021年5月20日（米国時間）付で掲載されます。後日、本誌に掲載されます。

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・アルマ望遠鏡 写真ギャラリー

アルマ望遠鏡 空撮映像（mp4形式、642MB）　Credit: ESO/Liam Young

アルマ望遠鏡：アンテナ同期駆動（mp4形式、50MB）　Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/UHD Team

アルマ望遠鏡：アンテナ群を一望（mp4形式、67MB） Credit: I. Nakamura/ESO

アルマ望遠鏡：夜間タイムラプス映像（mp4形式、59MB）　Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Y. Beletsky (LCO)/ESO