宇宙への旅人

これまで見えなかった銀河の星形成活動を撮影…JWSTによる画像をNASAが公開（海外）


JWSTが捉えた画像により、銀河のガスと塵のネットワークが極めて詳細に明らかになった。

ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）は、赤外線を捉えることで宇宙の画像を撮影している。

NASAはJWSTが撮影した3つの銀河「NGC1433」「NGC7496」「NGC1365」の新たな画像を公開した。

これらの写真には、これまで撮影できなかった星形成の初期段階が高解像度で捉えられている。

アメリカ宇宙航空局（NASA）によると、赤外線の波長で「地球近傍の銀河における星形成、ガス、塵（ちり）を、前例のない高解像度で撮影することができる」という
これらの撮影にはジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）が使われた。

「（JWSTが撮影した）データに基づき、21本の研究論文が執筆された。これらの論文は、宇宙で最小規模のプロセスである星形成の始まりが、宇宙で最大規模の天体である銀河の進化にどのような影響を与えているかについて、新たな洞察を提供している」とNASAのニュースリリースに記されている。

JWSTが捉えた画像は極めて鮮明であることから「星の形成によるエネルギーが、その周りのガスにどのような影響を与えるか」について観測することができる
これらの画像は、PHANGS（Physics at High Angular resolution in Nearby GalaxieS：近傍銀河の高解像度観測による物理学研究）というJWSTで19の渦巻銀河を研究するプロジェクトの一環として撮影された。19のうちすでに5つの銀河の観測が始まっている。

ジョンズ・ホプキンス大学のデイビッド・ティルカー（David Thilker）は「細かな構造を見ることができる明瞭さには、本当に驚かされた」とリリースで述べている。

アルバータ大学のエリック・ロソロフスキー（Erik Rosolowsky）は「星の形成によるエネルギーが、その周りのガスにどのような影響を与えるのか直接見ることができ、とにかくすばらしい」と述べている。

JWSTが捉えた高解像度の赤外線データは、他の波長を利用する望遠鏡では捉えられなかった部分を補完するものだ。これらのデータセットをすべて調整することで、新たな発見が促されるだろう。

星のライフサイクルのうち、初期の部分はこれまで見ることができなかったが、JWSTの高解像度の画像によってそれを観測できるようになった
「星のライフサイクルの初期段階は、ガスや塵の雲に覆われているため、（これまで）見ることができなかった」とオハイオ州立大学のアダム・リロイ（Adam Leroy）研究員は述べている。

しかし、遠方の銀河でも赤外線で検出できるJWSTの強力なカメラは「塵を透かして」見ることができるため、これまでにないほど遠くまで観測できるようになった。

2023年2月26日
BUSINESS INSIDER JAPANより

天の川銀河はレアな銀河だった？　所属集団全体に対してサイズが大きいと判明


【▲ 図1: 宇宙における銀河の分布は、空洞を囲むような平面に分布しています。私たちの天の川銀河もそのような平面であるローカルシートに分布していますが、天の川銀河の大きさはローカルシートに対して大きいという謎がありました。 (Image Credit: Miguel A. Aragon-Calvo / Simulation Data: Illustris TNG project) 】

私たちが暮らす地球がある天の川銀河をはじめ、宇宙には無数の銀河がひしめいています。その分布はランダムではなく、ある程度偏っていて、多くの銀河は壁のように平面的に分布しています。

銀河の分布が形作るこの壁状の構造は「銀河フィラメント」 (グレートウォール、超銀河団複合体とも) と呼ばれていて、天体がほとんど存在しない「超空洞 (ボイド)」と呼ばれる空洞を取り囲むようにできています。この構造は宇宙のあらゆる方向で繰り返されていて、まるで多数の泡がくっつきあっているように見えることから、泡構造とも呼ばれています。このように大規模な構造の中で、天の川銀河およびその周辺の銀河が平面的に分布する局所的な領域は「ローカルシート」と呼ばれています。

さて、銀河フィラメントと銀河の関係を調べてみると、銀河フィラメントの規模に対する銀河の大きさは、かなり小さいことが知られています。ところが、天の川銀河の大きさはローカルシートに対してかなり大きいことが知られています。天の川銀河そのものは平凡な銀河であり、特に巨大な銀河というわけではないにも関わらずです。これが特別なことなのかどうかは、よくわかっていませんでした。

このような疑問を観測によって証明するのは困難であるため、代わりの手段としてコンピュータシミュレーションが利用されます。シミュレーションには膨大な計算リソースが必要なことから、近年ではいくつもの国際研究チームが存在します。そのようなプロジェクトの1つが「IllustrisTNG Project」です。

同プロジェクトによる今回の研究では、いくつかの基本的な宇宙のパラメーターを物理量として、数万個の銀河を含む一辺10億光年の宇宙をコンピュータ上に作成しました。時間の経過とともに銀河および銀河フィラメントの生成が起こる宇宙をいくつも作成することで、ローカルシートに対する天の川銀河のような、構造に対して比率的に大きい銀河がどの程度の確率で存在するのかを算出することができます。


【▲ 図2: 銀河の大きさ (質量) と、体積に対してどの程度の数が存在するのかのシミュレーション結果。天の川銀河は濃い灰色の領域に位置し、その数は約100万分の1程度である。 (Image Credit: Aragon-Calvo, et.al.) 】

その結果、約100万個に1個の銀河フィラメントにおいて、天の川銀河のように比率的に大きい銀河が存在する可能性が示されました。これは相当に稀な確率であり、5億光年ほどの範囲を見渡さなければ、天の川銀河のように構造に対して比率的に大きな銀河を見つけることはできないと言い換えることもできます。

ある天体を「特別である」と表現するのは、一般的に注意が必要です。かつて考えられていたこととは違い、地球は宇宙の中心ではありません。太陽は私たちにとって特別な存在ですが、宇宙ではどこにでもある平凡な恒星です。天の川銀河にも、多くの点で特別な点はありません。ある時点で何らかの性質が特別であると考えられたとしても、観測技術の向上によって、後に平凡な値だったと判明することも珍しくありません。しかし今回の場合は、シミュレーションのパラメーターが妥当であるという前提が否定されるか、観測事実が大幅に変更されでもしない限り、天の川銀河の特別な性質として表現されることになります。

ローカルシートは、いくつもの謎を抱えています。例えば、ローカルシートにある12個の銀河の銀河面が、ローカルシートの平面とほぼ同じ向きに揃っているという事例もあります。これは天の川銀河の大きさほど稀な出来事ではないものの、そこまで多く観測される性質でもありません。今回はこのことについてもシミュレーションを行った結果、比率的な大きさほど稀ではないものの、比較的珍しい性質であることが明らかになりました。このことは、銀河フィラメントの形成時に銀河面の方向がある程度揃うとした別の研究結果とも矛盾しません。ただし、今回のシミュレーションの大きさは十分ではなく、この結果が正しいかどうかを語るには不十分であることから、今回の論文では決定的な結論を出さず、今後も研究が必要だという形で締めくくられています。

2023-02-03
Soraeより

80億年以上前の銀河で棒状構造が見つかった！　ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の観測データを分析


【▲ 約107億年前の銀河「EGS-23205」。左：ハッブル宇宙望遠鏡、右：ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡で取得した画像（Credit: NASA/CEERS/University of Texas at Austin）】

テキサス大学オースティン校の大学院生Yuchen Guoさんを筆頭とする研究チームは、今から約110億年前の初期宇宙にすでに棒状構造を持つ渦巻銀河が存在していたとする研究成果を発表しました。研究チームが利用したのは「ジェイムズ・ウェッブ」宇宙望遠鏡を使って取得された観測データです。

画像は、2つとも今から約107億年前（赤方偏移z＝約2.136）の銀河「EGS-23205」を捉えたものです。左の画像は「ハッブル」宇宙望遠鏡で取得されたEGS-23205の姿ですが、円盤状の構造をしているようには見えるものの、棒状構造があるかどうかははっきりしません。いっぽう、ウェッブ宇宙望遠鏡で取得された右の画像を見ると、銀河の中心を貫く棒状構造と、湾曲した渦巻腕（渦状腕）を持つ渦巻銀河であることがわかります。

研究チームは今回、国際的な研究チーム「CEERS（Cosmic Evolution Early Release Science Survey）」がウェッブ宇宙望遠鏡を使って取得したデータに含まれる数百個の銀河を対象に、棒状構造を持っていそうな銀河を視覚的に数十個選び出して分析を行いました。その結果、今から約110億年前（z＝約2.312）の銀河「EGS-24268」や前述のEGS-23205など、約80億年以上前に存在していた棒状構造を持つ銀河が合計6つ見つかったといいます。


【▲ 棒状構造が見つかった80億年以上前の6つの銀河。論文のプレプリントから（Credit: Guo et al.）】

渦巻銀河の棒状構造は、星の材料となるガスを銀河の中心領域に運び込むことで、銀河の進化に重要な役割を担ったと考えられています。研究に参加したテキサス大学オースティン校のShardha Jogee教授は、棒状構造の働きをサプライチェーンに例えて説明しています。

「製品の原料を港から内陸の工場へと運ぶように、棒状構造は銀河の中心領域へと強力にガスを輸送します。中心領域では銀河の他の部分と比べて10倍から100倍のペースでガスが新たな星へと変換されているのです」（Jogeeさん）

初期宇宙の銀河における棒状構造の発見という今回の成果についてJogeeさんは、初期の時代に銀河の星形成を加速させた新たな経路が銀河の進化モデルに追加されたことを意味すると指摘。研究チームは棒状構造の存在量を正しく予測するために今後も分析を続けるということです。

Image Credit: NASA/CEERS/University of Texas at Austin, Guo et al

2023-01-09
soraeより

成長をやめた銀河、銀河団内に偏って分布


銀河団の例
今回の研究に用いた銀河団の一例。（青い円）河団に所属する銀河のうち、星形成を続けて成長している銀河、（オレンジの円）星形成をやめた銀河。右上は銀河団中心部の拡大図。中心銀河の長軸方向を延長したピンク色の領域では、成長をやめた銀河の割合が他の方向よりも高く、長軸方向に垂直な水色の領域ではわずかながら少ない（提供：東京大学、以下同）


70億年前から現在までの銀河団を調べた結果、星形成が止まった銀河は特定方向にわずかながら多く分布していて、その方向は銀河団の中心銀河の向きとそろっていることが明らかになった。

星の大集団である銀河には、今でも星を作って成長しているものもあれば、そうした星形成活動が止まってしまったものもある。興味深いことに、単独で存在する銀河の多くは星形成を続けているが、銀河団に属する銀河では止まっていることが多い。

銀河団は銀河が数百から数千個集まった集団で、銀河と銀河の間は銀河団ガスと呼ばれる数千万度から数億度の高温ガスで満たされている。そのため、近くの銀河の重力や銀河団ガスの風圧が、星の材料となるガスを銀河からはぎ取り、星形成が止まるのだと考えられる。従来の研究では、こうした作用は銀河団のどの方向でも同じように働くとされていた。銀河団の中心から見れば、あらゆる方向で銀河の性質は同じであるという前提があったからだ。

ところが、近年では星形成の止まった銀河が特定方向に集中している可能性が指摘されている。一般に銀河団の中心には一際大きな楕円銀河が存在しているが、その楕円の長軸を延長した方向では、成長をやめた銀河の割合が他の方向よりもわずかながら多いというのだ。ただ、こうした研究は比較的私たちに近い、最近の時代の銀河団ばかりを対象にしているか、ごく少数の銀河団をサンプルとしたものだった。

東京大学の安藤誠さんたちの研究チームは、すばる望遠鏡の超広視野主焦点カメラ「ハイパー・シュプリーム・カム」が撮影した5000個以上の銀河団を統計的に調べた。対象としたのは、現在から70億年前に至るまでの幅広い年代の銀河団だ。調査の結果、銀河団の中心銀河とそろった方向で成長をやめた銀河の割合が多くなる傾向は、あらゆる年代で起こっている普遍的なものだと判明した。

成長をやめた銀河が特定の方向に偏っているのはなぜだろうか。銀河の数や質量自体が特定方向に分布しているとは考えにくく、銀河団の外から特定方向に沿って銀河が入ってくるという可能性も低いことがわかった。鍵を握るのは、銀河団の中心銀河かもしれない。

ほとんどの銀河の中心核には、超大質量ブラックホールが存在する。銀河団の中心銀河の場合、その質量は一際大きいと考えられる。超大質量ブラックホールは周囲の物質を飲み込む過程でエネルギーの一部を放出するが、中心銀河の中心核は銀河団ガスを吹き飛ばすほどの活動を示しうる。このことは、シミュレーションを用いた先行研究で示されていた。

超大質量ブラックホールからは、銀河の長軸に垂直な方向へエネルギーと物質が放出される。つまり、中心銀河の長軸に垂直な方向で銀河団ガスが吹き飛ばされるので、星形成を抑制する要因が減り、結果として成長をやめる銀河の割合が少なくなるというわけだ。


成長をやめた銀河の偏り
今回の研究で検出された成長をやめた銀河の偏り（左）とそのイメージ図（右）。左図は約60億年前の宇宙での解析結果で、成長をやめた銀河の割合を中心銀河の長軸方向に対する角度ごとに示している。白丸が実測値、黒色の太線は分布傾向を表す。中心銀河の長軸にそろった方向（ピンク）では、中心銀河の長軸に垂直な方向（水色）と比べて、成長をやめた銀河の割合が高くなっている

「すばる望遠鏡の大規模で高品質な観測データのおかげで、銀河団の中で銀河の成長を止めるメカニズムの新たな一面とその普遍性が明らかになりました。しかしその直接的な証拠となるブラックホールの活動性や、銀河団ガスの偏在を検出したわけではありません。これらは今後X線や電波の観測によって明らかになると期待されます。今回検出された、成長をやめた銀河の偏りの原因を解明することで、銀河団における銀河の成長史に迫ることができると思います」（安藤さん）

2023年1月5日
AstroArtsより

JWSTの画像に写っていた「赤い渦巻銀河」


SMACS 0723
JWSTが撮影した、とびうお座の銀河団SMACS 0723。今回の研究対象となった2つの赤い渦巻銀河はともにこの画像の右上に写っている（提供：NASA, ESA, CSA, STScI）

ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の成果として最初に公開された銀河団の画像から、渦巻銀河でありながら初期宇宙に存在していて色が「赤い」という、珍しい特徴を持つ銀河が見つかった。

ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）の初成果として7月に発表された銀河団「SMACS 0723」の画像には、はるか遠方に位置する無数の銀河が精細にとらえられていて、大いに話題を集めている。早稲田大学理工学術院総合研究所の札本佳伸さんたちの研究チームは、その中に特異な「赤い渦巻銀河」が写っていることに注目した。

天の川銀河のように渦巻き状の腕を持つ「渦巻銀河」は、もっぱら近距離の、言い換えれば「最近の時代の」宇宙で見つかっている。ハッブル宇宙望遠鏡（HST）などによる従来の観測では、80億年以上前の初期宇宙には不規則な形状の銀河が多く、渦巻銀河はほとんど発見されていない。このことから、渦巻銀河の形が整うには宇宙誕生から比較的最近までの長い時間が必要なのではないかと考えられてきた。

また、すばる望遠鏡による大規模な探査によれば、現在の宇宙に存在する渦巻銀河の98%では活発に星が形成されている。そのため、渦巻銀河は生まれたての星の青い光で彩られがちだ。

札本さんたちが見つけた渦巻銀河は初期宇宙にあり、しかも赤い光を発している点で、従来の知見と大きく異なる。これらの銀河はHSTやNASAの赤外線天文衛星「スピッツァー」の観測で検出はされていたものの、形状や性質までは知られていなかった。スピッツァーの10倍の空間分解能と50倍の感度を持つJWSTの性能によって初めて渦巻きがとらえられたのだ。


赤い渦巻銀河RS13、RS14
渦巻銀河の中でも特に赤かったRS13（左）とRS14（右）。上が赤外線天文衛星スピッツァーが撮影した単波長の画像で、下はJWSTがはるかに高い解像度で撮影した多波長擬似カラー画像（提供：早稲田大学リリース）

「赤い渦巻銀河」は全部で21個見つかった。JWSTは赤外線をとらえるため、私たちの目に赤く見えているのは可視化するための擬似色だ。しかし他の銀河と比べると、これらの銀河は間違いなく波長が長い、つまり「赤い」傾向にある。遠方の天体から届く光は宇宙膨張の影響を受け、波長が長くなるため赤くなるが、その効果を考慮しても、これらの渦巻銀河は私たちが知るものより赤かった。

研究チームは、渦巻銀河の中で特に赤かった「RS13」「RS14」の2つを分析した。いずれも80億年から100億年前の初期宇宙に存在する銀河であり、RS14では星形成が行われておらず、年老いた星の光で赤くなっていることが確認された。

このように年老いた渦巻銀河は現在の宇宙では極めて珍しいものの、JWSTが最初に公開した深宇宙の画像で早速見つかっている。つまり、過去の宇宙では年老いた銀河はこれまで考えられてきたよりも多く存在するかもしれない。そうした銀河はどのように作られたのか。研究チームは、今後も赤い渦巻銀河の研究を進めていくことでいまだ謎多き銀河の成り立ちについて新たな知見を加えられると考えている

2022年12月9
AstroArtsより