ガスも暗黒物質もあるのに星がない銀河候補、大型望遠鏡で深く撮っても光は見えず

編集・パクト

ふつう銀河といえば、無数の恒星が渦や球になって輝いているイメージだ。ところが、渦巻銀河M94(メシエ94)のそばに漂う小さな水素ガス雲Cloud-9は、そのイメージを根本から揺さぶる。

これまでにハッブル宇宙望遠鏡の観測も「ここには星の光がほとんど無い」と報告していた。今回、地上最大級の光学望遠鏡が、各波長で2.36時間の露光によって、その「星の無さ」を別の方法で裏づけた。

論文はスペインのカナリア天体物理学研究所(IAC)のイグナシオ・トゥルヒージョ氏らのチームが2026年8月21日にarXivへ投稿し、米国天文学会の速報誌Research Notes of the AASに受理された。

この速報誌は査読を行わず、編集者の確認を経て載る媒体だ。ここでは、その撮像がなぜ「銀河のあり方の常識」に問いを突きつけているのかを、順を追って解いていく。

Cloud-9は、地球から約1600万光年(約5メガパーセク)先にある候補天体です。

そもそも「星のない銀河」とは何を指すのか

普通の銀河は、暗黒物質(ダークマター)の重力の穴に大量の水素ガスがたまり、そのガスが冷えて縮んで恒星ができる、という筋書きで説明される。

恒星の光があるからこそ、私たちは望遠鏡で銀河を見つけられる。銀河=星の集団、というのが小学生の理科の教科書レベルの了解事項だ。

ところが宇宙論のシミュレーションは、もう何十年も前から「暗黒物質のかたまり(ハロー)は小さめだけれど、そこに含まれるガスが冷え損ねて、星が全然生まれないまま漂う天体がありうる」と予言していた。

これがいわゆる「暗黒銀河」あるいは「失敗した銀河(failed galaxy)」だ。名前だけは知られていたのに、実物はほとんど見つかっていなかった。

理由は身も蓋も無い。星が無いということは、可視光ではほぼ何も光らない、ということだ。目印になるのは、水素ガスが電波で出す21cm線くらいしか無い。

だから電波で水素の塊を見つけて、その同じ場所を可視光でとことん深く撮って「本当に星が無いか」を確かめる、という二段構えの探索が必要になる。

しかも、二段目の可視光撮像で「星が無い」ことを結論づけるには、あらゆる暗い星まで拾える深さがいる。

今回のCloud-9は、その二段構えの後半、つまり「可視光で徹底的に見て星の有無を判定する」段階の主役だ。銀河の定義そのものが試されているとも言える。

星が無くても銀河と呼べるのか、それとも「暗黒物質と水素ガスの単なる塊」に格下げされるのか、その基準を宇宙が突きつけてくる。

ここで判定を誤ると、宇宙の中で「見えていない銀河がどれだけあるか」という数え上げも、大きく狂ってくる。

Cloud-9はM94のそばに漂う謎の水素の塊

Cloud-9は、有名な渦巻銀河M94のそばで、中国の電波望遠鏡FASTによる観測で見つかった。散らばる水素ガスの塊で、質量はおよそ太陽100万個ぶんと見積もられている。

M94はりょうけん座にある銀河で、小型の望遠鏡でも見えるため、アマチュア天文家にも馴染みがある。

さらに解析から、周囲に約50億太陽質量の暗黒物質のハローがあると見積もられた。

ガスも暗黒物質もそろっているのだから、素直に考えれば「小さな銀河」であって、そこには何万個・何十万個の恒星が輝いていておかしくない。

M94の伴銀河の一員として、暗く小さな渦や不規則な星の集団を作っていても不思議ではないはずだった。

ところが、ハッブル宇宙望遠鏡の観測では、その水素ガスが濃く漂う場所に、期待されるような星の集団が写っていなかった。

1個ずつの星を数えるやり方(分解星計数)でも上限が押し下げられ、Cloud-9は「暗黒銀河候補として最有力」の位置に躍り出た。

ただし1個ずつ数える方法には限界がある。距離が遠くて暗すぎる古い星は数えきれないし、視野の中でどこまで拾えているかの評価もむずかしい。

もしかすると、暗くて古い星の集団がぼんやりと存在していて、粒として見えないだけかもしれない。このぼんやり成分を叩くには、区別せず面で光をかき集める撮像で、上限を圧縮するしかない。

今回のスペイン隊の観測が狙ったのは、まさにその「粒では見えないぼんやり光」を、面ごと掃討する仕事だった。

10.4メートル望遠鏡が2.36時間で撮った「深すぎる1枚」

そこで登場するのが、カナリア諸島ラ・パルマ島にある口径10.4メートルのGran Telescopio Canarias(GTC)と、その高性能撮像装置HiPERCAMだ。

世界最大級の可視光望遠鏡と、複数の波長帯を同時に撮れる高速カメラの組み合わせで、Cloud-9のあった空をひたすら深く撮った。

観測は2026年6月11日と12日に行われ、星のにじみ具合(シーイング)は約0.9秒角という良い条件だった。

露光時間は各波長帯で2.36時間。

u、g、r、i、zの5つの波長帯を同時に撮り、届いた面輝度の限界は、最も深いgバンドで31.4等/平方秒角、rバンドで31.0等/平方秒角、最も浅いzバンドで29.6等/平方秒角だった。

等級は数字が大きいほど暗い方向を意味する。この31等台という数字は、同じ領域の従来の深撮像より、約10倍深い水準にあたる。

その結果、Cloud-9の中心1分角×1分角、およそ1.3×1.3キロパーセクの範囲の中に、星の光が1点も出てこなかった。

トゥルヒージョ氏はこう語っている。宇宙のたいていの天体は、なにかしら光の痕跡を残す。Cloud-9はそれを残さない。

その沈黙こそ、私たちが得られた最も雄弁な結果だ、と。

太陽1万6000個未満まで詰められた星の上限

撮像から出てきた面輝度の限界は、そのままだと分かりにくい。

研究チームはこれを「もしCloud-9の中に古くて金属量の少ない古典的な恒星集団があったとしたら、最大でどれくらいの質量まで隠れられるか」に換算した。

銀河形成モデルにあわせて、暗くて赤い、いちばん見つけにくい種類の星が潜んでいると仮定するのが、上限を保守的に見積もる標準的なやり方だ。

答えが、記事タイトルに掲げた数字だ。

星の面密度は1平方パーセクあたり太陽0.01個未満、Cloud-9全体としての恒星質量の上限は1.6×10⁴太陽質量、すなわち太陽1万6000個ぶん以下という結論になる。

天の川銀河はおよそ1000億〜4000億個の恒星を抱えるとされるが、太陽1万6000個ぶんという星の量は、その1000万分の1ほどにしかならない桁だ。

しかも、その中には水素ガスが太陽100万個ぶんも詰まっている。ガス対恒星の比は、単純比較で60倍以上もガス側に振り切れている。

矮小銀河や超暗黒矮小銀河でも、これほどガスばかりに偏った天体はほとんど知られていない。ふつうは、材料であるガスの何割かはとっくに星に化けている。

この上限は、以前の「星を1個ずつ数える」上限とは別のルートから独立に出た数字である点が肝心だ。

過去の上限は、地上の広域サーベイの画像で約12万太陽質量、ハッブルで約3200太陽質量で、今回の値はその間に入る。

方法の違う2つの物差しが、どちらも「星がほぼ無い」と口をそろえた。

片方の物差しの癖(たとえば暗くて古い星が数えられない、といった偏り)を理由に否定できなくなった、という意味で、Cloud-9の「失敗銀河らしさ」は一段強くなった。

「星が生まれなかった」のはなぜか——宇宙の紫外線が犯人か

ガスと暗黒物質があるのに星が生まれない、というのは、直感には反する。ところが宇宙には、そのブレーキになる仕組みがある。

鍵は再電離期の紫外線背景放射だ。宇宙が生まれておよそ10億年ほど経った時期、最初期の星や銀河から出た強い紫外線が宇宙全体を貫き、そこら中の水素ガスを電離させた。

この紫外線の風はその後も宇宙を満たし続けていて、あちこちの水素ガスをじわじわあたためている。

ここで効いてくるのが、暗黒ハローの大きさだ。ハローが大きいほど重力ポテンシャルは深く、少しくらい温めても中のガスを引き寄せ続けられる。

ハローが小さいと、あっさりガスが逃げ出すか、圧力に負けて縮まないまま漂うことになる。星の生まれる/生まれないの境目は、暗黒物質の質量そのものが握っている、という構図だ。

目に見える星の姿ではなく、目に見えない暗黒物質の量が、銀河の運命を分けている、という言い方もできる。

50億太陽質量という「暗黒の下限」——理論と観測がぴたり

標準的な宇宙論シミュレーションによれば、暗黒物質ハローの質量がおよそ50億太陽質量を下回ると、その中のガスは効率よく冷えず、恒星がほぼ生まれない状態が続くと予測される。

50億太陽質量というのは、天の川銀河の暗黒ハローが約1兆太陽質量とされることを踏まえると、その200分の1以下という控えめなサイズにあたる。

Cloud-9の暗黒物質ハローの推定質量は、この「星が生まれない」とされる小質量ハローの領域に収まる。Cloud-9の推定値(約50億太陽質量)は、ちょうどこの境目にあたる。

トゥルヒージョ氏自身、Cloud-9のハロー質量はこの領域と整合すると述べている。

氏の言葉を借りれば、この描像では、失敗銀河はもはや珍しい例外ではなく、標準的な宇宙論モデルが自然に、しかも大量に予言する集団になる、という位置づけになる。

難しかったのは、その予言を確かめる観測手段のほうだった。深すぎる撮像で「無い」を確かめる作業に、大型望遠鏡を長時間割いてくれる人がなかなかいなかったのである。

もし本当に「星のない銀河」が理論通りに大量に存在しているなら、宇宙にはこれまで見えていなかった、暗黒物質だらけの小さなハローが夜空を無数に埋めているはずだ。

可視光の銀河地図は、宇宙の質量分布のごく一部だけを描いた地図に過ぎない、ということになる。

裏を返せば、失敗銀河が予言通りの数だけ見つからないと、暗黒物質の性質そのものを見直す必要が出てくる。

今回のCloud-9は、その「予言と現実の答え合わせ」の第一枚目のデータ点になる可能性が高い。

ここからは、同じような水素ガス塊を電波でリストアップし、GTC級の望遠鏡で1本ずつ潰していく地道な作業が続くはずだ。

決定打かどうかは、次のJWSTが決める

もっとも、今回の結果を持って「暗黒銀河の初発見」と断言するには、まだ慎重さが要る。

研究チーム自身、論文の言い方は「星の光は検出されなかった」「Cloud-9が星のない銀河の候補だという根拠が強まった」であって、「星が完全にゼロと証明した」ではない。

しかも掲載誌は査読のない速報誌だ。

面輝度撮像は面で光をかき集める強みがある一方、拡がった前景の光や散乱光をどう差し引くかで、深さの限界が変わる。

したがって1個1個の星として粒で見えるかどうかを確かめる別のアプローチが、最後の決定打として要る。地上望遠鏡はどれだけ大きくしても大気のゆらぎに邪魔されるので、粒の分解には限界がある。

そこで期待されるのがジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST)だ。宇宙空間から近赤外線でCloud-9を狙えば、暗くて赤い古い星を1個ずつ分解できる可能性がある。

トゥルヒージョ氏も、ハッブルはすでに極めて強い証拠を出してくれた、JWSTのような次世代設備が探索をさらに深く押し進められる、と続きを見据えている。