宇宙誕生20億年後に棒渦巻銀河が存在!? ジェイムズ・ウェッブが覆す常識

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が撮影した銀河COSMOS-74706は、約115億年前、宇宙年齢がわずか20億歳だった時代に存在していた。天文学者たちを驚かせているのは、その中心部に見える明るい棒状の構造だ。

棒渦巻銀河は、銀河の中心から棒のように星とガスが並んだ構造を持つ。私たちの天の川銀河も棒渦巻銀河だ。しかし、こうした整然とした構造は、銀河が数十億年かけて成熟した後にできると考えられてきた。

棒渦巻銀河が「早すぎる」理由

銀河は衝突を繰り返して成長する

宇宙初期の銀河は、互いに激しくぶつかり合いながら成長していた。衝突のたびに形は歪み、星の分布もバラバラになる。天文学者たちは、こうした混沌とした環境では、規則正しい棒構造は形成できないと考えていた。

実際、これまでの観測では、宇宙年齢が40億年以降にならないと棒渦巻銀河は現れないとされていた。COSMOS-74706は、その常識を一気に20億年も遡る発見だ。

棒構造ができる条件

銀河中心の棒構造は、星とガスが重力で互いに引き合い、特定のパターンで回転することで生まれる。これには安定した円盤構造が必要で、外部からの激しい衝突があると維持できない。

つまりCOSMOS-74706は、宇宙がまだ若く混沌としていた時代に、すでに安定した構造を獲得していたことになる。これは銀河がこれまで考えられていたよりもずっと速いペースで成熟した可能性を示している。

ジェイムズ・ウェッブだから見えた

従来のハッブル宇宙望遠鏡では、遠方の銀河の詳細な構造を捉えるのは困難だった。ジェイムズ・ウェッブは赤外線で観測するため、宇宙膨張で引き伸ばされた遠い銀河の光も鮮明に捉えられる。

COSMOS-74706の棒構造も、ウェッブの高解像度赤外線カメラNIRCamによって初めて確認された。棒の長さは銀河の中心部を横切るように約3万光年に及ぶ。

銀河進化のシナリオが変わる

ダークマターの分布が鍵か

なぜこれほど早く棒構造ができたのか。研究チームは、銀河を取り巻くダークマターハローの形状が関係している可能性を指摘する。

ダークマターは目に見えないが、銀河全体の質量の大部分を占める。そのハローが特定の形をしていると、銀河円盤内の星の軌道が揃いやすくなり、棒構造が早期に形成される。COSMOS-74706は、初期宇宙で特別なダークマター環境にあったのかもしれない。

近くの銀河との比較

天文学者たちは、COSMOS-74706を現在の宇宙にある棒渦巻銀河と比較している。興味深いことに、115億年前のこの銀河の棒構造は、現代の銀河の棒とほぼ同じ特徴を持っていた。

これは、銀河の基本的な構造形成メカニズムが、宇宙の歴史を通じて変わっていないことを示唆する。一方で、初期宇宙の環境でも棒構造が維持できるほど、銀河は想定以上に頑健だったことになる。

他にも隠れているかもしれない

今回の発見は、初期宇宙の銀河観測がまだ始まったばかりであることを思い出させる。ジェイムズ・ウェッブの観測領域は、全天のごく一部に過ぎない。

研究チームは、さらに多くの初期棒渦巻銀河が今後見つかると予想している。もしそうなら、銀河進化の標準モデルそのものを書き直す必要が出てくる。宇宙初期の銀河形成は、これまで考えられていたよりも効率的で多様だった可能性がある。

ウェッブが切り拓く新時代

宇宙の歴史を目で見る

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、2021年に打ち上げられて以来、次々と宇宙の常識を覆す発見をしている。遠方の銀河、初期の星、系外惑星の大気組成——赤外線の目は、これまで見えなかった宇宙の姿を鮮明に映し出す。

COSMOS-74706のような発見は、宇宙が生まれてから最初の数億年に何が起きたのかを理解する手がかりになる。その時代は、最初の星や銀河が誕生し、宇宙全体が大きく変化した「宇宙の夜明け」と呼ばれる時期だ。

観測計画はまだ続く

研究チームは今後、COSMOS-74706の星の年齢分布や化学組成を詳しく調べる予定だ。ウェッブに搭載された分光器を使えば、銀河内のどの領域でいつ星が生まれたのかを読み解ける。

さらに、同じ時代の他の銀河との比較観測も計画されている。棒構造を持つ銀河と持たない銀河で、何が違うのか。その答えが、銀河進化の新しい理論を生み出すかもしれない。

私たちの銀河の過去

天の川銀河もまた、棒渦巻銀河だ。中心部には約2.7万光年の長さの棒構造があり、太陽系はその外側を回っている。

COSMOS-74706のような初期銀河を研究することは、私たち自身の銀河がどのように形成されたのかを知る手がかりにもなる。115億年前の宇宙に、天の川の祖先に似た銀河があったとしたら——その想像は、宇宙の壮大な歴史に私たちを結びつけてくれる。

初期宇宙の銀河研究は、まだ始まったばかりだ。次に覆される常識は何か——その答えは、遠い宇宙の光の中に隠されている。

アイキャッチ画像: Photo by NASA Hubble Space Telescope on Unsplash