日本の天文学者チームが最近、チリに設置された望遠鏡群を用いて、遥か昔の宇宙を観測しました。彼らが発見したのは、記録破りの銀河で、銀河が典型的な渦巻き構造を獲得した時代を遡るものです。
研究チームの研究は本日、Science誌に掲載されました。一見すると、霧の中を照らす懐中電灯の光のように見えますが、ある意味ではまさにその通りです。この銀河から発せられる光は124億年前のもので、同様の構造のこれまでの記録よりも10億年も古いものです。この光は、アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計（AMLSA）によって発見されました。AMLSAは、最も古いものを理解するための優れた観測装置です（最近、宇宙自体の年齢を新たな精度で測定しました）。研究者らの評価によると、この画像に写っている銀河はビッグバンから14億年以内に形成されたと推定されます。また、この干渉計は銀河からの炭素イオン放出を検出しました。
研究著者らによると、これらの原始銀河（基本的にはガスと星の塊）は、今日思い浮かぶ銀河と同様に、回転する円盤構造を持つと予想されています。この円盤は、非常に高温で混沌としたエネルギーの分散によって形成された可能性がありますが、「混沌とした状態を経ずにガスが冷えて集積することによって形成された可能性もあります」と、東京総合研究大学院大学（総研大）および国立天文台の天文学者、津久井隆文氏は述べています。「この巨大な円盤は、その後の渦巻き構造の形成に必要だったと考えられています。」
138億年前、宇宙の始まりを告げたビッグバンの後、銀河は今日私たちが知っている形で突然現れたわけではありません。初期宇宙は、構造のない小さな原始銀河で満ち溢れ、混雑した空間を飛び回り、互いにぶつかり合い、宇宙のモッシュピットのように融合していきました。これらの不定形の原始銀河が、どのようにして現在の銀河によく見られる渦巻き状の腕と中心のバルジを獲得したのかは、天文学者にとって謎のままです。腕の起源については、他の銀河との潮汐相互作用によって引き寄せられて形成されたという説や、銀河中心にある質量が他の物質を自らに引き寄せることで形成されたという説などがあります。いずれにせよ、ほとんどの渦巻き銀河は宇宙の発展のずっと後になって初めて出現するという事実は変わりません。そのため、BRI 1335-0417と名付けられたこの銀河は、その先駆者だったのです。
「銀河がいつ、どのようにして形成されたかは、天文学において探求され続けている永遠の謎です」と、日本の国立天文台と総合研究大学院大学の天文学者でもある共著者の井口悟氏は述べた。「私たちは銀河BRI1335-0417に渦巻き状の構造を発見しました…そして、宇宙の星形成のピークよりはるか以前の最も遠方の渦巻き銀河を初めて示しました」と、ビッグバンから約40億年後、星の誕生率が頂点に達した時期のことである。
「この研究は、原始宇宙において驚くほど『成熟した』銀河が最近発見されたことと一致する」と、イタリアのアルチェトリ天体物理観測所の天文学者フェデリコ・レリ氏はメールで述べた。「アルマ望遠鏡によるこれまでの観測では、規則的に回転するガス円盤と巨大な恒星のバルジが、ビッグバンからわずか10億年後に形成されたことが明らかになっている。今回の研究は、『成熟』のもう一つの兆候、すなわち渦巻き腕の証拠となる。」
今年初め、レリ率いる研究チームは、同じくビッグバン後間もなく形成された銀河であるALESS 073.1を分析し、この新生構造にはバルジとそれを取り囲む回転するガス円盤があることを発見しました。これらは、比較的最近形成された銀河に典型的に見られる特徴です。しかし、そこにはまた別の古代の証拠が残っていたのです。ノースジョージア大学の天文学者で銀河進化を専門とするアマンダ・モフェット氏は、ALMAのようなより新しく高性能な望遠鏡は、宇宙のより遠くまで、つまりより過去まで観測できるため、これまでの記録的な日付をさらに押し広げていくだろうと指摘しました。
「この研究に関連して、多くの天文学者が考えるであろう疑問は、この銀河が棒状構造と緩く巻かれた渦巻き構造（ハッブル宇宙望遠鏡のSBc型のような）を持つ、確かに安定した渦巻き銀河なのか、それとも他の銀河との合体によって生まれたもので、私たちが見ている『腕』構造は潮汐尾のようなものなのか、ということです」とモフェット氏はメールで述べた。「これはやや意味論的に聞こえるかもしれませんが、実際には上記の疑問、つまり渦巻き銀河が既に形成され、今はただ静かに存在している時代なのか、それともまだ活発に形成中で、秩序立った銀河へと落ち着き始めている時代なのか、という疑問に関係しています。」
実際、最近撮影された銀河は腕を持っているわけではなく、むしろ原始的な腕構造を持っており、それが銀河の現在の状態（それが何であれ）の礎を築いたのかもしれません（光がそこからここまで移動するのにかかる時間を考えると、それを知るにはあと120億年待たなければなりません）。ALMAの観測範囲は今のところ研究者の知覚の限界ですが、宇宙を旅する帆船のような姿をした、今後打ち上げられるジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、2021年10月31日の打ち上げ予定後、初期宇宙のさらなる詳細を私たちに見せてくれるでしょう。
