天文学の基本的な問題のひとつに、130億年以上前に形成された銀河が、その後どのように進化してきたのだろうかというものがある。天の川銀河の中心にある約400万太陽質量の「いて座A*」のように、ほとんどの銀河の中心には超大質量ブラックホール (SMBH) があることが、天文学者の共通認識になっている。このような巨大ブラックホールは、時折、近くのガスや塵、星を飲み込み、余分なエネルギーを強力な相対論的ジェットとして放出している。このように、銀河の中心が円盤の星々を圧倒する現象は、活動銀河核（AGN）またはクエーサーと呼ばれる。

このたび、欧州南天天文台を中心とする国際研究チームは、この進化を解明する可能性のある銀河を初期宇宙で発見した。超大型望遠鏡 (VLT) とチリのアタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計 (ALMA) を用いて、宇宙初期の非常に明るく星形成が活発な銀河の周りを回る銀河の群れを観測した。この観測は、非常に明るい銀河がどのように成長し、クエーサーへと進化し、観測可能な宇宙全体に強力な光のジェットを放つのかについて、新たな知見を提供するものだ。

この研究は、ドイツ・ガルヒンクにある欧州南天天文台の研究員、Michele Ginolfi氏が主導したものだ。また、国立天文台（INAF）、キャベンディッシュ研究所、カブリ宇宙論研究所、マックスプランク天体物理学研究所（MPIA）、コズミックドーンセンター（DAWN）、ニールス・ボーア研究所（NBI）、パリ天体物理学研究所（IAP）など、複数の大学の研究者とともに、この研究を行った。今回の研究成果を記した論文は、学術誌『Nature Communications』に掲載された。

1963年に観測されたクエーサー（準恒星状天体）は、星に似ているが電波で明るく輝いていることから、この名がついた。現在では、超巨大ブラックホールのうち、周囲のガスや塵、星を消費して特に明るく輝くものを指す言葉として使われている。しかし、銀河がどのようにクエーサーへと変化していくのか、その仕組みはまだ分かっていない。そこでGinolfi教授らは、宇宙初期に観測された最も明るく、最も質量が大きく、ガスに富む銀河の一つであるW0410-0913を調べた。

地球から約120億光年の距離にあるこの銀河は、ビッグバンから約10億年後の姿に見えるのだそうだ。W0410-0913 がこれほど明るく輝いているのは、中心のブラックホールとそれを取り巻く星々によって、塵が熱せられるからとされている。このため、このタイプの銀河は赤外線で特に明るく見え、「Hot Dust-Obscured Galaxies（高温のチリに覆われた銀河）」（別名ホットDOG）と呼ばれるようになった。Ginolfi氏は、ニールス・ボーア研究所のプレスリリースで、次のように説明している。

「銀河の中には、本格的なクエーサーに進化する前に、星形成や超巨大ブラックホールへのガス降着など、非常に活発でダストの多い段階を経ると考えられているものがあるのです。私たちは、この遷移段階についてより詳しく知るために、実験を計画することにしました。」

銀河の進化はその周囲と関係しているため、Ginolfi氏はチリの超大型望遠鏡 (VLT) の多天体分光器 (MUSE) で得られたデータを利用した。この装置は、銀河の40倍の幅の領域を調査することができる。さらに、アルマ望遠鏡のアーカイブデータを用いて、W0410-0913の内部で起こっているガスの動きを測定することができた。コペンハーゲンのコズミック ドーン センターの研究者であり、この研究の共著者であるPeter Laursen氏は次のように説明している。

「この観測によって、W0410-0913 は 24 個もの小さな銀河の群れに取り囲まれていることが明らかになりました。MUSE の素晴らしいところは、空の上の位置だけでなく、私たちの視線に沿った距離も測定できることです。つまり、3次元的な位置を測定することができるのです。」

これは、W0410-0913が平均的な宇宙の少なくとも10倍以上の密度がある領域に存在することを意味する。ホットDOG は高密度の環境に存在するという説があるので、これはまったく予想外ではなかった。さらに、W0410-0913 は、宇宙が現在の約 1/8 の年齢のときに、すでに我々の銀河系の 10 倍の質量を持っていたのだ。このような短期間でこれだけの成長を遂げ、超巨大ブラックホールに餌を与えてこれだけの明るさを実現するには、相当量の餌が必要となる。

このことは、大質量銀河がガスを吸収し、重力によって衛星銀河と合体することで成長していくという定説と一致している。W0410-0913 のような高密度の環境では、他の銀河との相互作用や合体の頻度が非常に高くなると研究チームは予想した。さらに、この銀河の内部は、ガスや星の雲が渦を巻いていて、混沌とした状態になっていると予想されていた。この点、アルマ望遠鏡の観測によって、W0410-0913が近隣の銀河との相互作用に全く影響されていないことが明らかになり、彼らは驚きを隠せなかった。

「アルマ望遠鏡の観測から、ガスや星は中心ブラックホールを中心に規則正しく回転していることがわかりました。2つの全く異なる望遠鏡から得られた結果を組み合わせることで、最も質量の大きい塵の多い銀河がどのように進化していくのかが見えてきました。このような銀河は、塵の多い星形成銀河からクエーサーへと進化する重要な段階であり、非常に高密度の環境で成長する傾向があるのです。しかし、他の銀河と頻繁に合体することが予想されるにもかかわらず、これらの重力相互作用は必ずしも破壊的なものではなく、中心銀河に栄養を与え、ガスを少し渦巻かせるだけで、実質的には無傷のままなのです。固いガラスに小石を投げつけるようなもので、傷はつくかもしれませんが、壊れることはないでしょう…。」とGinolfi教授は言う。

この観測は、宇宙初期の銀河がどのように進化し、現在の天の川銀河のような姿になったのかについての洞察を与えてくれる。また、この観測は、私たちの宇宙では非常に珍しいホットDOGの進化を促進するプロセスに関する最初の手がかりを与えてくれる。VLT と ALMA を用いて得られた情報から、これらの銀河は特殊で高密度の環境で成長しながらも、銀河の仲間たちと穏やかに交流していることがわかった。今後数年間は、この銀河や他の初期銀河を、次世代望遠鏡で追跡観測する機会がたくさんあるだろう。

これには、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）や、2027年に打ち上げ予定のハッブル望遠鏡の後継機、ナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡（RST）などが含まれる。また、VLTやALMAに続く次世代の地上望遠鏡として、ESOの超大型望遠鏡（ELT）や、口径30メートルの巨大マゼラン望遠鏡（GMT）、30メートル望遠鏡（TMT）などがある。銀河がどのように進化してきたかを知ることは、ダークマターやダークエネルギーに関する新しい知見をもたらし、宇宙進化のより包括的なモデルにつながることが期待される。

この記事は、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス（表示4.0 国際）に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。