アルマ望遠鏡で目撃する124億年前の原始銀河団

2018/04/26 国立天文台

アルマ望遠鏡による観測で、124億光年かなたの宇宙の一角に14個の銀河が驚くほど高い密度で密集していることが発見されました。これらの銀河はまさにこれから衝突・合体をするところであり、やがて巨大な銀河団の中心核になると考えられます。

遠方宇宙において高い密度で寄り集まっている銀河の集団のことを、原始銀河団と呼びます。今回発見された原始銀河団は地球から124億光年の距離にあります。宇宙誕生が138億年前であったことを考えると、これは宇宙がまだ14億歳、つまり現在の年齢の1割ほどだったころのようすを見ているということになります。発見された銀河ひとつひとつは私たちが住む天の川銀河の25%ほどの大きさしかないにもかかわらず、天の川銀河の1000倍ものペースで星が作られていました。この原始銀河団はやがて、観測されている最も巨大な銀河団に匹敵するくらいの大きさにまで成長するだろうと考えられています。

今回観測された原始銀河団はSPT2349-56と名付けられており、アメリカが運用する南極点望遠鏡(South Pole Telescope: SPT)の電波観測によって最初に発見されたものでした。ヨーロッパ各国がチリで運用する電波望遠鏡APEXでの追加観測によって、この天体がまさに遠方宇宙に存在する銀河であることが確かめられ、今回のアルマ望遠鏡での観測につながりました。アルマ望遠鏡の高い解像度と感度により、見かけ上小さい範囲に存在する14個の銀河を見分けることができたことで、SPT2349-56は形成途上の原始銀河団の典型例となることでしょう。

南極点望遠鏡SPT、APEX望遠鏡、アルマ望遠鏡で観測された原始銀河団SPT2349-56

南極点望遠鏡SPT、APEX望遠鏡、アルマ望遠鏡で観測された原始銀河団SPT2349-56。口径10mのSPT、12mのAPEX望遠鏡では点にしか見えなかった天体が、高い解像度を持つアルマ望遠鏡では14個の銀河の密集した姿であることがわかりました。
Credit: ESO/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Miller et al

「巨大銀河団がまさに生まれつつあるところを見ることができたのは、それ自体とても素晴らしいことです。しかし、そうした銀河の巨大衝突が宇宙の歴史の中で予想外に早い時期に起きていたということは、現在の私たちの宇宙構造形成の理解に疑問を投げかけるものでもあります。」と、観測的宇宙論を専門とし銀河形成を研究するカナダ・ダルハウジー大学のスコット・チャップマン氏はコメントしています。

宇宙誕生から数百万年のうちに、物質やダークマター(暗黒物質)が重力によって引き合うことで次第に大きな構造が作られ、その後長い時間をかけて銀河団が作られると考えられています。銀河団の質量は太陽1000兆個分にもなる非常に巨大なもので、1000個以上の銀河と膨大な量のダークマターの他、巨大ブラックホールや100万度以上の高温でエックス線を出す電離ガスなどが含まれます。今回アルマ望遠鏡で観測された原始銀河団は、理論研究やコンピュータシミュレーション研究で予言されていたとおりの質量をもっていましたが、予想よりもずっと早い時期に誕生していたのです。

イェール大学の大学院生で論文の共著者であるティム・ミラー氏は「この原始銀河団がどうしてこんなに早くこんなに巨大に成長できたのかは、謎です。天文学者は、10億年以上かけて小さい天体がゆっくり集まっていくと考えていたからです。今回の発見は、巨大銀河団とそこに含まれる大きな銀河がどのようにして誕生したのかを探るための絶好の機会を与えてくれたといえるでしょう」と語っています。

宇宙誕生から14億年しかたっていない時代の原始銀河団の姿をとらえることができたことで、これをコンピュータシミュレーションの初期条件として使うことが可能になります。こうして、銀河団が数十億年をかけてどのように成長・進化していくのかを調べることができました。「アルマ望遠鏡の観測で、銀河団進化の道筋を予想するための出発点が初めて明快に示されたのです。これら14個の銀河はやがて星を作るのをやめ、ひとつの巨大銀河へと合体していくことでしょう」と、チャップマン氏は語っています。

アルマ望遠鏡での観測結果をもとに描かれた原始銀河団SPT2349-56の想像図

アルマ望遠鏡での観測結果をもとに描かれた原始銀河団SPT2349-56の想像図。多くの銀河が密集しており、これから銀河どうしが衝突・合体していくようすを描いています。
Credit: ESO/M. Kornmesser

論文・研究チーム
この研究成果は、T. B. Biller et al. “A massive galaxy cluster core at a redshift of 4.3”として、イギリスの科学雑誌「ネイチャー」2018年4月25日号に掲載されました。

この研究を行った研究チームのメンバーは、以下の通りです。
T. B. Miller (Dalhousie University, Halifax, Canada; Yale University, New Haven, Connecticut, USA), S. C. Chapman (Dalhousie University, Halifax, Canada; Institute of Astronomy, Cambridge, UK), M. Aravena (Universidad Diego Portales, Santiago, Chile), M. L. N. Ashby (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts, USA), C. C. Hayward (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts, USA; Center for Computational Astrophysics, Flatiron Institute, New York, New York, USA), J. D. Vieira (University of Illinois, Urbana, Illinois, USA), A. Weiß (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, Germany), A. Babul (University of Victoria, Victoria, Canada) , M. Béthermin (Aix-Marseille Université, CNRS, LAM, Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, Marseille, France), C. M. Bradford (California Institute of Technology, Pasadena, California, USA; Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, California, USA), M. Brodwin (University of Missouri, Kansas City, Missouri, USA), J. E. Carlstrom (University of Chicago, Chicago, Illinois USA), Chian-Chou Chen (ESO, Garching, Germany), D. J. M. Cunningham (Dalhousie University, Halifax, Canada; Saint Mary’s University, Halifax, Nova Scotia, Canada), C. De Breuck (ESO, Garching, Germany), A. H. Gonzalez (University of Florida, Gainesville, Florida, USA), T. R. Greve (University College London, Gower Street, London, UK), Y. Hezaveh (Stanford University, Stanford, California, USA), K. Lacaille (Dalhousie University, Halifax, Canada; McMaster University, Hamilton, Canada), K. C. Litke (Steward Observatory, University of Arizona, Tucson, Arizona, USA), J. Ma (University of Florida, Gainesville, Florida, USA), M. Malkan (University of California, Los Angeles, California, USA) , D. P. Marrone (Steward Observatory, University of Arizona, Tucson, Arizona, USA), W. Morningstar (Stanford University, Stanford, California, USA), E. J. Murphy (National Radio Astronomy Observatory, Charlottesville, Virginia, USA), D. Narayanan (University of Florida, Gainesville, Florida, USA), E. Pass (Dalhousie University, Halifax, Canada), University of Waterloo, Waterloo, Canada), R. Perry (Dalhousie University, Halifax, Canada), K. A. Phadke (University of Illinois, Urbana, Illinois, USA), K. M. Rotermund (Dalhousie University, Halifax, Canada), J. Simpson (University of Edinburgh, Royal Observatory, Blackford Hill, Edinburgh; Durham University, Durham, UK), J. S. Spilker (Steward Observatory, University of Arizona, Tucson, Arizona, USA), J. Sreevani (University of Illinois, Urbana, Illinois, USA), A. A. Stark (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts, USA), M. L. Strandet (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, Germany) and A. L. Strom (Observatories of The Carnegie Institution for Science, Pasadena, California, USA).