この冷たい銀河団には初期宇宙の秘密が隠されている

初期の宇宙は銀河にとってストレスの多い場所でした。数十から数百の近隣の銀河の塊、いわゆる銀河団が、熱いガスの共同プールを共有していましたが、ドラマがないわけではありませんでした。常に別の気まぐれな銀河が銀河団に衝突し、以前の占有者の 1 つと融合し、銀河団間物質と呼ばれるガスプールを全体的に乱していました。

新しく発見された銀河団 SPT2215 が特別なのはそのためです。地球から約 84 億光年離れた場所で発見された SPT2215 は、最近、宇宙が誕生してわずか 50 億年だった頃の姿で天文学者によって撮影されました。さらに研究を重ねた結果、この銀河団は宇宙のその時期に発見された数少ない「リラックスした」銀河団の 1 つであると結論付けられました。この結果から、科学者は宇宙の夜明けに銀河がどのくらいの速さで形成されたかというモデルを見直すことになるかもしれません。

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「銀河団が形成過程にある場合、私たちはそれを『乱れた』状態と呼びます。つまり、混乱状態なのです」と、MITの天体物理学博士課程の学生で、複数の望遠鏡と飛行天文台の助けを借りて新たに発見されたSPT2215銀河団の特徴を説明した4月19日の天体物理学ジャーナル誌論文の主執筆者であるマイケル・カルザディーラ氏は言う。

「ガスが非常に丸く、対称性が高く、ボールのように見える場合、最近相互作用がなかったことを示しています」と彼は言う。「非常に『リラックス』しています。」言い換えれば、物事を混乱させる銀河の合体は存在せず、SPT2215の場合もそうであるようだ。

初期宇宙の緩和した銀河団を発見し研究することで、天文学者は、80億年前と現在とで銀河と星の形成がどのように異なっていたかを知る手がかりを得ることができます。しかし、SPT2215の発見は、他のどの銀河団とも異なる形で起こりました。それは、興味深いマイクロ波周波数の影から始まり、奇妙なサーモスタットの測定値で終わりました。

数十人の科学者からなる国際チームが、SPTpol拡張銀河団調査で遠方の銀河団の兆候を探しに行った。この調査では、スニヤエフ・ゼルドビッチ効果（銀河からの熱い共通ガスと相互作用する宇宙マイクロ波背景放射）を利用して、関連する星のグループを見つける。

宇宙マイクロ波背景放射は宇宙で最初に現れた光であり、ビッグバンの残光とも呼ばれているとカザディーラ氏は指摘する。「低エネルギーのマイクロ波光子が地球に向かう途中で銀河団に遭遇すると、銀河団内のガス、つまりプラズマによって高エネルギーに散乱される」と同氏は言う。これらの増幅された光子が残した隙間は宇宙マイクロ波背景放射に対する影として現れ、銀河団のおおよその位置がわかる。そこから天文学者は追跡観測を行って距離を測り、銀河団が乱れているか緩和されているかを判断する必要がある。SPT2215の場合、カルザディーラ氏と同僚はハッブル宇宙望遠鏡、赤外線スピッツァー望遠鏡、チャンドラX線天文台、チリの巨大マゼラン望遠鏡などの地上望遠鏡を含む一連の機器を使用した。

「異なる波長を観察すると、何が起こっているかの全体像がよりよく分かります」とカルザディーラ氏は言う。「チャンドラはX線波長を観察しています。スピッツァーは赤外線波長を観察しています。そしてハッブルは、その中間にある可視光線の波長を観察しています。」

銀河団内のガスは通常、時間の経過とともに冷え、最初にX線を放射し、次に冷却して紫外線を放射し、最後に赤外線領域までの電磁波を放射する、と同氏は説明する。「これらの異なる望遠鏡を使用することで、このプロセスの各部分を異なる波長で捉えることができます。」

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通常、銀河団で共有されている冷却ガスはゆっくりと内側に落ち込み、他の銀河を支配する傾向がある中心銀河を形成して供給するとカルサディーヤ氏は言う。ガスは中心銀河での星の誕生を維持するだけでなく、その銀河の中心に超大質量ブラックホールを形成する燃料にもなる。供給時に超大質量ブラックホールはエネルギーの爆発を引き起こし、冷却して膨張するガスを押し返す。

「銀河団の意味で、サーモスタットとして機能し、温度を調節します」とカルサディーヤ氏は指摘し、ガスの冷却速度を遅くする。

しかし、SPT2215 の興味深い点は、「サーモスタットが、進行している冷却量に追いつくのに苦労しているように見える」ことだと彼は付け加えた。そのため、予想よりも冷たいオーラ (約 179,540 度から始まる) が生まれ、宇宙で同時期に発見された他のほとんどの銀河団よりも、ガスの冷却速度がはるかに速いと予測されている。中心銀河には、ブラックホールによってガスの急速な冷却が抑えられた銀河団よりも、新しい若い星が多く見られる。

カルサディーヤ氏は、SPT2215 がこれほど冷たい理由はいろいろあると考えている。そのひとつには、「ブラックホールが今まさに作動を開始したばかりである可能性もある。この冷却ガスが中心銀河に到達し、ブラックホールに入るまでにはしばらく時間がかかる」という可能性もある。

確かなことを知るには、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡やハッブル宇宙望遠鏡による長期にわたる観測など、さらなる観測が必要になるだろうが、「[SPT2215]は、初期宇宙において、銀河が私たちが考えていたよりも若い年齢で形成されていることを示している可能性がある」とカルサディーヤ氏は言う。「これは、物事がいつ起こったかという私たちのタイムラインに疑問を投げかけています。」