13億個の星の新しい詳細な地図から何がわかるか

私たちのほとんどは、夜空を見上げて、星がどれくらい離れているか、どの方向に動いているのか疑問に思ったことがあるでしょう。実のところ、科学者は天の川銀河のほとんどの星の正確な位置や速度を知りません。しかし今、欧州宇宙機関のガイア衛星から、銀河の星を前例のない詳細さで地図化することを目指す新たな一連のデータが届き、この問題に光を当てています。ガイア・アーカイブは4月25日にオープンし、ガイアの2回目のデータリリースがすべての人に公開されました。SFの古典「2001年宇宙の旅」の登場人物デイブ・ボーマンの言葉を借りれば、「星でいっぱいだ」。実際、そこには13億を超える星までの距離のデータが含まれています。ガイア衛星は2013年に打ち上げられ、それ以来、2つの望遠鏡で継続的に空をスキャンし、天の川銀河がどのように形成され、進化したかを解明することを目指しています。これを実現するために、視差と呼ばれるものを測定します。腕を伸ばした位置に指を持ち、片方の目で見てからもう一方の目で見ると、背景に対して指の位置がずれているように見えます。この角度の変化を視差と呼びます。

宇宙にいることで、ガイアは星の位置の同様の小さな変化を観測することができます。6 か月間隔で (地球を周回する軌道の半分) 異なる場所で観測することは、片方の目で指を見てからもう一方の目で指を見ることに似ています。視差とガイアから太陽までの距離 (または鼻から目までの距離) がわかれば、簡単な三角法を使用して各星 (または指) までの距離を計算できます。

ガイアは、星が時間の経過と共に空の平面で移動する様子も観測しています。これらの「時間あたりの角度」の単位は、星までの距離がわかれば、速度の物理的な単位 (たとえば、キロメートル/秒) に変換できます。ただし、星が空間の 3 次元でどのように移動しているかを知るには、視線に沿って空に垂直な速度も測定する必要があります。これには銀河の速度カメラが必要です。

通常のレーダー速度カメラは、ドップラー効果（動きによる波の伸縮）を利用して、車から跳ね返った信号の無線周波数の変化を測定し、速度を測定します。同様に、ガイアは星の光の周波数の変化を測定して速度を確認します。星が私たちの方に動いている場合は星の光が青くなり、星が私たちから遠ざかっている場合は星の光が赤くなります。これを視線速度と呼びます。

データの革命

2016年にガイアが初めて公開したデータでは、約200万個の星の距離が公表されたが、視線速度は含まれていなかった。しかし、地上からさまざまな調査によって測定されたこれらの星のうち40万個未満の星の視線速度は、すでにわかっていた。

Gaia の 2 回目のデータリリースには、約 17 億個の星の空の位置と明るさ、および 700 万個を超える視線速度に関する情報が含まれています。これにより、Gaia はこれまでで最大の視線速度調査になるだけでなく、正確な 3D 空間速度を持つ星の数が 18 倍に増加します。

一連の Gaia 科学実証論文も星カタログとともに公開されています。私はこれらの論文の 1 つに関する研究に携わり、これまでで最も詳細な 3D 空間速度マップを作成しました。

興味深いことに、この地図は天の川銀河には星が地球全体に広がっていることを明らかにし、そのほとんどは銀河の薄い円盤の中に存在しています。これらの星は、円弧の形をした薄い下部構造にまとめられています。これは、天の川銀河がどのように形成され、現在もどのように進化しているかを知るための重要な手がかりです。この発見を解釈し、ガイアの 2 回目のデータ リリースの可能性を最大限に引き出すバトンは、天文学界に渡されます。

最終的に、ガイアが作成したカタログは、太陽系内の何万もの小惑星の地図作成など、多くの新しい発見に役立つ可能性があります。恒星の明るさの低下を観察することで、地球以外の恒星を周回する太陽系外惑星を見つけることもできます。

さらに驚くべきことは、この測定によって、宇宙の物質の大半を占めると考えられている未知の目に見えない物質である暗黒物質が銀河のどこに存在するかを正確に予測できるかもしれないということだ。ガイアはまた、地上の望遠鏡で消える前に追跡できる約 5,000 個の物体を発見した。そのほとんどは超新星、つまり爆発する星で、宇宙の膨張を加速させている暗黒エネルギーの性質を明らかにするのに役立つかもしれない。

Gaia による次のデータ公開は 2020 年になります。これにより、視線速度がわかっている星の数が現在の 700 万個から約 3000 万個に増えると予想されており、私たちのチームは今後数年間忙しくなります。

ジョージ・シーブロークは、UCLの天体物理学の上級研究員です。この記事はもともとThe Conversationに掲載されました。