シミュレーションによれば、天の川銀河は非常に珍しい存在のようだ

masapoco
投稿日 2023年1月26日 9:10
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人類は、自然との関係を行ったり来たりしている。最初は、自分たちがすべての中心にいて、太陽や宇宙全体が自分たちの小さな星の周りを回っていると思っていた。しかし、やがてそれは間違いであることが分かった。何世紀もかけて、地球と生命は珍しいかもしれないが、太陽はごく普通で、太陽系は比較的非日常的であり、我々の銀河系も宇宙にある銀河の60%を占める何十億もの渦巻き銀河の一つであることが分かってきたのである。

しかし、Illustris TNGのシミュレーションは、天の川銀河が特別であることを示している。

Illustris TNGは、現在進行中の大規模シミュレーションの一つだ。その目的は、銀河の形成と進化の背後にあるメカニズムを理解することである。Illustris TNGのWebサイトによると、この取り組みは「一連の大規模な宇宙論的磁気流体力学シミュレーション」であるという。これまでのところ、このプロジェクトでは3つの主要なシミュレーションを行い、それぞれが前のものよりも大きく、高解像度である。TNG 50、TNG 100、TNG 300がそれだ。それぞれのシミュレーションでは、銀河形成のさまざまな側面に焦点を当てている。TNG 300は最も大きなもので、3億メガパーセク近くの領域、10億光年以上の幅、そして何百万もの銀河を含む領域をシミュレートしている。

Illustris TNGに基づく新たな研究により、天の川が特別であることが明らかになった。しかし、天の川が特別なのは、その本質的な資質だけではない。天の川は、周囲の環境との関係において特別なのだ。

この発見は、Illustris TNG 300に基づく新しい論文で、Monthly Notices of the Royal Astronomical Societyに掲載された。タイトルは、”The unusual Milky Way-local sheet system: implications for spin strength and alignment” (珍しい天の川-ローカルシート系:スピンの強さとアライメントへの示唆)。主な研究者は、計算宇宙論者であり、メキシコ国立自治大学国立天文台の助教授であるMiguel Aragón氏だ。

Illustris TNGは、宇宙の大規模構造をシミュレートしている。銀河が、広大な宇宙の空隙を縫うように走る暗黒物質のフィラメントの上にどのように配置されているかを示している。「銀河の壁」とも呼ばれる宇宙論的な壁も描かれている。そのうちのひとつ、ヘラクレス・コロナ・ボレアリスの長城は、100億光年にもおよぶ宇宙最大の構造物だ。

宇宙の壁は、銀河で構成されている。フィラメントの一種だが、平たくなっていて、左右に空洞がある。この空洞が、壁を押しつぶして扁平な形にしているように見えるのだ。天の川銀河に最も近い宇宙論的壁は、ローカルウォールまたはローカルシートと呼ばれている。

ローカルシートは、天の川銀河や他の銀河が軸回転するのに影響を与える。天の川銀河は約2億5千万年かけて自転しているが、今回の研究では、銀河がローカルシートの近くにない場合よりも、自転がより組織的に行われていることが分かった。

また、この研究は、天の川銀河が特別であることも示している。一般的な銀河は壁に対してかなり小さくなる傾向があるが、天の川銀河はローカルシートに対して驚くほど巨大だ。このようなことは、宇宙ではめったにないことだと思われる。

この映像は、Illustris TNG 50から、楕円銀河の形成の様子を撮影したものだ。

宇宙論者が研究している特性のひとつに、速度分散がある。これは、ある天体の集団の速度がどの程度分散しているかを表すものだ。天体の速度は、ある平均的な速度の周りに分散している。天の川や壁の近くにある天体の速度は分散が小さく、平均から大きくはずれていないことが分かる。

これは、天の川のような質量の大きな銀河が、「ローカルシート」に近いこのような環境にあることとしては、珍しいことだ。そこで研究チームは、Illustris TNG 300 に含まれる天の川銀河の類似銀河 (MWA) を探した。

その結果、ローカル・シート・アナローグに属するMWAは稀であることが判明した。シミュレーションでは、160〜200?Mpc3 の体積に1個しか存在しなかったのだ。この研究により、彼らはローカルシートの周囲の冷たい環境が原因であることを示した。「我々は、『銀河シート』のような冷たい環境が、銀河の角運動量に対する環境効果を保存、増幅、単純化することを発見した」と、彼らは論文に書いている。

特に、「ローカルシート」は天の川銀河のスピンに影響を与えることが分かった。また、このシミュレーションでは、壁の近くにある銀河のスピンパラメータが低くなっていることも分かった。

このことは、銀河が時間とともにどのように成長し、合体していくかに影響すると、研究者は考えている。その結果、このような宇宙の近傍にある銀河は、質量が小さくなってしまうのだ。そのため、天の川銀河のような質量の大きな銀河は珍しく、今回のシミュレーションでは、200立方メガファルクの宇宙でたった一つしか見つかっていないのだ。

この研究は、「文脈が重要である」という重要なことを私たちに気づかせてくれる。天の川を単体の天体として見て、他の同じような単体の天体と比較した場合、それは例外的な天体には見えない。しかし、周囲の環境との関係では、天の川は例外的な存在なのだ。この論文では、「我々の結果は、我々の銀河系を取り巻く環境を注意深く特徴づけることの重要性を強調している」と述べている。「角運動量過程に対するローカルシート環境の幾何学的形状と寒さの影響は、銀河形成における現在の問題をより良く理解するのに役立つかもしれません…」 と、この論文は述べている。

この研究を発表したプレスリリースの中で、著者らはコペルニクス的バイアスに言及している。「このバイアスは、コペルニクスが地球を宇宙の中心から格下げして以来、約500年の間に、我々の特別な地位が次々と失われていったことを表しており、我々が宇宙の中で完全に平均的な場所に存在していると仮定した場合に生じるものです」と、プレスリリースには書かれている。これは、研究対象の環境を無視することに内在する危険性を示している。

また、この研究は、科学者が「Illustris TNG」のようなシミュレーションを使用する際の潜在的な欠点も示している。シミュレーションのどの地点も、他の地点と同じだと考えるのは誤解を招きかねない。コズミックウォールに近い銀河は、他の地点とは全く異なる進化を遂げる可能性があるのだ。

「”だから、天の川は、ある意味、特別なのです。」と、研究主任のAragón氏は言った。「地球は明らかに特別で、私たちが知っている唯一の生命の故郷です。しかし、地球は宇宙の中心でもなければ、太陽系ですらありません。太陽は、天の川銀河にある何十億もの星のうちの、ごく普通の星に過ぎないのです。私たちの銀河系でさえ、観測可能な宇宙の何十億もの銀河の中の、ただの渦巻き銀河の一つに過ぎないようです。」

「天の川銀河は、特に特別な質量や種類を持っているわけではありません。おおよそ似たような渦巻銀河はたくさんあります」と、研究者の一人であるJoe Silk氏は言う。「しかし、その周囲を考慮すれば、それは珍しいことです。もし、最も近い十数個の大きな銀河を空から簡単に見ることができたとしたら、それらがすべてローカルシートに埋め込まれたリング上にほぼ横たわっていることがわかるでしょう。それ自体がちょっと特殊なんです。私たちが新たに発見したのは、『ローカルシート』のような宇宙の銀河の壁の中には、天の川銀河のような質量の銀河はほとんど存在しないようだということです。」

「我々のような銀河がある別の宇宙の壁を見つけるには、天の川銀河から5億光年、多くの銀河を越えて旅しなければならないかもしれません」とAragón教授は言う。「これは、私たちの周りにある最も大きな銀河、アンドロメダよりも数百倍も遠いのです。」

では、私たちがまた特別だと感じてもいいのだろうか?私たちは生きているから特別なのであって、目に見える物質のほとんどは特別ではない。しかし、だからといって、他の物質がどれだけ生きていて、私たちが特別な存在であるかどうかは分からない。。宇宙の他の場所から見れば、もっと多くの生命体が存在する可能性があるのだ。現代天文学が発達する以前は、他の場所に生命がいるかどうか、地球がどれだけ特別な存在なのか、全く分からなかった。著者の一人によれば、私たちは「特別」という言葉に対して慎重になるのが賢明だという。

「しかし、”特別 “と認定する性質を選択することには、注意しなければなりません。もし、私たちが銀河に対して、私たちが書いた論文を含んでいなければならないというような、とんでもない制限を加えたとしたら、確かに私たちは観測可能な宇宙の中でそのような唯一の銀河になってしまうでしょう。しかし、我々は、この『大きすぎて壁がない』という特性は、物理的に意味があり、本当に特別であると呼びかけるのに十分な観測的関連性を持っていると考えています。」と、チームのもう一人のメンバーであるMark Neyrinck博士は述べている。


論文

参考文献

研究の要旨

天の川銀河とローカルシートは、我々の近傍で異常に低い速度分散と、そのような環境に対して一見高く見える天の川の質量という点で、特異な銀河系系を形成している。TNG300シミュレーションを用いて、宇宙論的壁に位置し、我々の銀河系周辺で観測されたものと同様の局所的なハッブル流の速度分散を持つ天の川銀河類似体(MWA)を探した。その結果、ローカルシートアナログのMWAは(160-200Mpc)3体積あたり1個と希少であることがわかった。我々は、シートのような冷たい環境が、銀河の角運動量に対する環境効果を保存、増幅、あるいは単純化することを発見した。このようなシートでは、シートと銀河のスピンが特に強く一致し、また、これらの銀河は低いスピンパラメータを持っている。これらのことは、壁が形成されて以来、合体がなかったことと関係があるかもしれない。今回の結果が、天の川銀河-ローカルシート系の非定型性を認識させるきっかけになることを期待している。宇宙環境の影響を十分に考慮せずに局所的な観測結果を誤って外挿すると、天の川銀河や近傍宇宙の形成と進化を理解する上でコペルニクス的なバイアスがかかる可能性がある。

この記事は、EVAN GOUGH氏によって執筆され、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。



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