2022-12-22 東京大学
安藤 誠（天文学専攻 博士課程）
嶋作 一大（天文学専攻 准教授）
伊藤 慧（日本学術振興会特別研究員）
発表のポイント
- 銀河の大規模集団である銀河団の中で、成長をやめた銀河の分布が中心楕円銀河の長軸の方向に偏るという現象が、約70億年前の宇宙で既に生じていることを確かめた。
- 同様の偏りはこれまで比較的最近の宇宙でしか見つかっていなかったが、それが幅広い時代でみられる普遍的な現象であることを突き止めた。
- 宇宙の歴史を通じて、銀河団という環境下で銀河がどのように成長してきたのかの解明に繋がると期待できる。
発表概要
銀河の大規模集団は銀河団と呼ばれます。銀河は新たな星を生み出すことで成長しますが、銀河団に属する銀河の多くは成長をやめてしまっていることが知られています。しかし、その原因は未だ完全には理解されていません。東京大学大学院理学系研究科天文学専攻の安藤誠大学院生、嶋作一大准教授、伊藤慧日本学術振興会特別研究員からなるグループは、銀河団に属する成長をやめた銀河は、銀河団の中心にある巨大楕円銀河の長軸の向きにより集まって分布しており、しかもこの偏った分布は約70億年前までの宇宙においてみられる普遍的なものであることを明らかにしました。このことは銀河団の中で、中心銀河の長軸方向に分布している銀河の成長を優先的に止めるメカニズムが存在することを示唆しています。今後、このメカニズムを明らかにしていくことで、銀河団における銀河の成長史の解明に繋がることが期待されます。
本研究成果は、2022年12月22日に英国王立天文学会誌「Monthly Notices of the Royal Astronomical Society」のオンライン版に掲載されました。
発表内容
数千億個もの星々の集まりである銀河は、ガスを材料にして星を作り出す星形成活動を通じて成長しますが、観測される銀河の星形成の様子は活発なものからほとんど停止しているものまで様々です。どのような条件下で星形成が促進あるいは抑制されるかを調べることは、銀河の成長過程を理解する上で重要です。
銀河の中には、単独で存在するものもあれば、群れて集まっているものもあります。銀河の群れの中でも、数百から数千の銀河からなる大規模集団は「銀河団」と呼ばれます。銀河団は300万光年もの広がりがあり、「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ます。面白いことに、単独で存在する銀河の多くは星形成をしていますが、銀河団に属する銀河の多くは星形成をやめています。これは銀河と銀河団ガスが密に集まっているという、銀河団特有の環境に起因するものだと考えられており、例えば銀河団ガスの風圧や、近くを通過する他の銀河の重力が、銀河の内部から星の材料であるガスを剥ぎ取ってしまうことが知られています。その結果として、銀河の星形成、つまり成長が止まると考えられています。
銀河団に着目したこれまでの研究の多くは、銀河団に属する銀河の性質は等方的、つまり銀河団中心からみてどの方向を調べても銀河の性質は同じであるという仮定の下で行われてきました。ところが、近年の研究で、成長をやめた銀河の分布が銀河団内の特定の方向に偏っている可能性が指摘されています。多くの銀河団の中心部には巨大な楕円銀河（中心銀河）が１つありますが、成長をやめた銀河は中心銀河の長軸方向（楕円の伸びた方向）により高い頻度で存在しているようです。これは銀河団の中で銀河の星形成を止める作用が、中心銀河の長軸とそろった方向では強く、それに垂直な方向では弱く働くためだと解釈されています。このような示唆は現在の宇宙に限られた研究や、少数の銀河団サンプルの観測から得られたものです。したがって、この偏りが宇宙の幅広い年代で普遍的なものなのか、またどの銀河団でもみられる一般的な傾向なのかについては不明でした。
そこで本研究では、すばる望遠鏡の超広視野主焦点カメラ（注1）による大規模観測によって撮像された5000個を超える大量の銀河団を対象に、星形成をやめた銀河の割合が中心銀河の向きに対してどのように変化するのかを調べました（図1）。その結果、中心銀河の長軸にそった方向では星形成をやめた銀河の割合が高く、それと垂直な方向では低くなっていることが確かめられました（図2）。さらにこの偏りがおよそ70億年前までの銀河団で検出されたことから、時代によらず普遍的なものであることもわかりました。今回検出された偏りは数パーセント程度の小さなものであり、すばる望遠鏡による高品質かつ大規模な銀河団サンプルを統計的に分析することで、初めて検出が可能になりました。
図1：今回の研究に用いた銀河団の一例。銀河団に属する銀河のうち、星形成（成長）をしている銀河を青い円で、星形成をやめた銀河をオレンジの円で示しています。印がついていない天体は、この銀河団とは無関係の銀河や星です。ピンクと水色の影で示された領域は、それぞれ、銀河団の中心銀河の長軸に「そろった方向」と「垂直な方向」を表しています。右上の画像は銀河団の中心部を拡大したものです。この例のように中心銀河は基本的に楕円に近い形をしており、楕円の伸びた方向を長軸とします。個々の銀河団の観測からでは銀河分布の偏りを検出するのは難しいですが、本研究では5000個以上の銀河団の高品質な撮像データを解析することで、成長している銀河と成長をやめた銀河の分布の偏りを検出しました。
図2：本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(白丸)を中心銀河の長軸からの方向ごとに示しています。黒色の太線は分布傾向を表す線です。ピンク色の影で示された「中心銀河の長軸にそろった方向」では、水色の影で示された「中心銀河の長軸に垂直な方向」と比べて、成長をやめた銀河の割合が高くなっています。
それではこの偏りはどのように生じたのでしょうか。一般に、「重い銀河」や「密な場所にある銀河」には成長をやめたものが多いことが知られています。そこで、（1）重い銀河が中心銀河の長軸方向により多く存在している、（2）中心銀河の長軸方向では銀河がより密に集まっている、という可能性があります。あるいは（3）銀河団の外で成長をやめた銀河が、中心銀河の長軸方向に沿った運動で銀河団内部へ移動してきているのかもしれません。しかし今回検出された銀河の偏りを様々な角度から検証すると、（1）や（2）では検出された偏りの大きさを説明できないこと、また銀河団の外では成長をやめた銀河の分布に大きな偏りがなく、（3）の可能性も低いことがわかりました。観測された偏りをうまく説明するには、このようなシンプルな説明では不十分なようです。
実は、今回の結果をうまく説明できる説がシミュレーションを用いた先行研究で提案されています。銀河の中心部には巨大ブラックホール （注2） が存在していると考えられています。銀河団の中心銀河が持つ巨大ブラックホールは、銀河団ガスを吹き飛ばすほどのエネルギーを放出します。この際、中心銀河の長軸に垂直な方向のガスを集中的に吹き飛ばすため、その方向にある銀河団ガスが銀河に及ぼす風圧は相対的に弱くなります。結果として中心銀河の向きに応じて銀河の成長の止まりやすさが変わる、というわけです。本研究の結果は基本的にこの説と整合します。このことは銀河団における銀河の成長を考える上で、中心銀河の巨大ブラックホールの活動性や、銀河と銀河団ガスとの相互作用がいつの時代もきわめて重要であることを示唆しています。
本研究により、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追求することで、銀河団における銀河の成長史に迫ることができると思われます。
本研究は、JST次世代研究者挑戦的研究プログラム（課題番号：JPMJSP2108）および科学研究費助成事業（課題番号：22J11975、JP19K03924）の支援により実施されました。
発表雑誌
- 雑誌名
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society論文タイトル
Detection of anisotropic satellite quenching in galaxy clusters up to z~1著者
Makoto Ando*, Kazuhiro Shimasaku, Kei ItoDOI番号
10.1093/mnras/stac3251
用語解説
注1 すばる望遠鏡の超広視野主焦点カメラ
すばる望遠鏡はアメリカ・ハワイのマウナケア山の頂上に設置された、日本の光赤外線望遠鏡です。直径8.2メートルという世界最大級の一枚鏡で光を集めることで、遠くにある暗い銀河を観測することができます。すばる望遠鏡が持つ装置の一つが「超広視野主焦点カメラ・ハイパーシュプリームカム」という約8億7000千万画素を持つ巨大なデジタルカメラです。一度に満月9個分の広さの天域を撮影できる広い視野が特徴です。
注2 巨大ブラックホール
銀河の中心部には巨大なブラックホールが存在していると考えられています。その質量は大きなもので太陽の1億から10億倍にも達します。
