80億～100億年前の初期宇宙に「赤い渦巻銀河」、早大などがJWSTのデータから発見

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早稲田大学(早大)は12月7日、2022年から運用が開始されたジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST)のデータをもとにした成果として、80億年～100億年前という初期宇宙に、これまで確認されていなかった特異な「赤い渦巻銀河」を発見したことを発表した。

同成果は、早大 理工学術院総合研究所の札本佳伸次席研究員(国立天文台 (NAOJ)アルマプロジェクト特任研究員兼任)、同・理工学術院の井上昭雄教授、同・理工学術院総合研究所の菅原悠馬次席研究員(NAOJ アルマプロジェクト特任研究員兼任)らの研究チームによるもの。詳細は、米天体物理学専門誌「The Astrophysical Journal Letters」に掲載された。

現在の宇宙には、「ハッブル分類」にもあるように、楕円銀河や渦巻銀河など、いくつかのわかりやすい外見のパターンに沿った銀河が多く存在する。中でも、地球が属する天の川銀河を含む渦巻銀河は(天の川銀河はより正確には棒構造のある棒渦巻銀河)、銀河中心に「バルジ」と呼ばれる楕円体の構造を持ち、特徴的な渦巻状の腕「渦状腕」を持つ。

これまでのところ、こうした渦巻構造を持つ銀河がいつ・どのように生まれ、どれほどの過去から存在するのかわかっていない。特に、80億年以上前(宇宙誕生から約60億年が経過した時点)の宇宙については、ハッブル宇宙望遠鏡などによる観測の結果から、不規則な形態を持つ銀河が多いことが知られ、渦巻銀河はほとんど発見されていなかった。このことから、渦状腕など、渦巻銀河の形状が整うためには銀河が生まれてから長い時間が必要で、もっと時代が下った、現在に近い時代の宇宙にしか存在しないのではないかと考えられてきた。

また近年、すばる望遠鏡による大規模探査によって、現在の宇宙にある渦巻銀河の98%は比較的活発な星形成活動を行っていることが明らかにされた一方、星形成活動が止まってしまった"年老いた"渦巻銀河は、2%程度しか存在しないことがわかっている。そのことが現在の宇宙だけの特徴なのか、それとも過去の時代の宇宙にある銀河を見れば現在とは異なる様子が見られるのか、といった問いに対しては、望遠鏡の感度や空間分解能の制限により答えを得ることができていなかったのである。

そこで研究チームは今回、2022年から遂に運用を開始したNASAのJWSTが初公開したデータから、特にこれまでの観測では捉えられていなかった特異な銀河である、赤い渦巻銀河に注目することにしたという。

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これらの赤い渦巻銀河は、ハッブル宇宙望遠鏡やスピッツァー宇宙望遠鏡によるこれまでの観測でも検出はされていたものの、空間分解能や感度の制限からその詳細な形態や性質がわかっていなかった。しかし、JWSTはスピッツァー宇宙望遠鏡の10倍の空間分解能と50倍の高感度という驚異的な性能を持つため、赤い渦巻き銀河の詳細な形態が初めて明らかにされた。

まず、これら赤い渦巻銀河がどのような性質を持つのかを調べるパイロット調査として、最も赤い色を持つ2つの銀河「RS13」と「RS14」について、JWSTから得られた測光データや分光データをもとにした分析が実施された。その結果、これらの赤い渦巻銀河が80億年～100億年ほど過去の宇宙に存在する銀河であることが確認されたという。

さらに、RS14は星形成を行っておらず、年老いた銀河であることも明らかにされた。上述したように、年老いた渦巻銀河は全体の2%程度と、現在の宇宙では極めて珍しい。しかし、今回のJWSTの初期観測は極めて狭い領域をターゲットとしたものだ。このことから、遠方宇宙ではこれまで考えられてきたよりも数多くの年老いた銀河が存在する可能性が示唆されるとした。

その一方で今回の成果から、80億～100億年ほど過去の宇宙において、赤い渦巻銀河や年老いた渦巻銀河はどのようにして形成されてきたのかという、新たな疑問が生じることとなった。

研究チームは今回の研究成果により、渦巻銀河形成の歴史、ひいては宇宙の歴史全体の中で、銀河の形態がどのように変化してきたのかについての研究に、新たな視点を与えることができたのではないかと考えているという。

また、今回の研究では、JWSTの画像において観測された多数の赤い渦巻銀河のうち、最も赤い色を持った2つの銀河にのみ絞ってのパイロット調査が行われたが、今後さらに多数の赤い渦巻銀河についての観測が行われることで、過去の宇宙に存在する渦巻銀河や年老いた渦巻銀河に対する研究が進展し、いまだ謎多き銀河の成り立ちに関して新たな知見を加えることができるとした。