銀河がどのように成長していくのかを知るために、夜空にズームインして宇宙の爆発を撮影しています。

銀河がどのように成長していくのかを知るために、夜空にズームインして宇宙の爆発を撮影しています。 9ZuUD 1 1

科学者たちは、私たちが目にすることのない動植物や現象を目にしています。このシリーズでは、そんな科学者たちのユニークな写真を紹介します。

オーストラリアでは、天文学者が最先端の技術を駆使して夜空を撮影し、宇宙に関する最大の疑問を解決しようとしています。

私たちの観測結果は、長年の謎に光を当て、まったく新しい研究の道を切り開くのに役立っています。

空を埋め尽くす宇宙の大爆発

Swinburne の Deeper, Wider, Faster (DWF) プログラムは、私たちの一人 (Sara Webb) が博士号取得中に取り組んだもので、宇宙で最も速く、最も神秘的な爆発を探すために開発されました。

しかし、宇宙の爆発の原因を理解するためには、世界中のさまざまな望遠鏡を使って、複数の目でこれらの事象を「見る」必要があります。今回は、そのうちの一つ、チリのセロ・トロロ米州天文台にあるブランコ4mのデータを使った旅をご紹介します。

チリにあるBlanco 4m望遠鏡。この望遠鏡にはダークエネルギーカメラが取り付けられている。レベッカ・アレン

まず、この望遠鏡の視野内で撮影された60枚以上の個別画像をすべてモザイク状に合成します。その中に、何千もの明るい天体が写っています。

これは、DWFプログラムで撮影されたダークエネルギーカメラのデータの一例です。この画像は空の広大な部分を撮影したものです。サラ・ウェッブ

これらの画像は太平洋を渡り、スウィンバーン大学のスーパーコンピュータ「OzStar」で処理されます。このスーパーコンピュータは、1万台の個人用ラップトップよりも強力で、一度に数千の異なるジョブを処理することができます。

アップロードされた画像は、より小さなチャンクに分割されます。このときに細部が見えてくるのです。

写真は、Blanco 4mからDWFプログラムに送られてきたデータを小さく切り取って見える銀河の一部。サラ・ウェッブ

しかし、上記のような素晴らしい銀河は、まだ私たちが探しているものではありません。私たちは、死にかけている星や宇宙の爆発によって生じた新しい「源」をとらえたいと思っています。そのためには、これまで検出されなかった場所で光を探すことが必要です。

光源とは、燃えている星、死にかけている星、小惑星などさまざまなものが考えられます。それを知るためには、星の明るさや、電波、X線、ガンマ線などのさまざまな波長の光の情報を継続的に収集する必要があります。

左は古い画像、右は新しい天体が発生したばかりの最新の画像です。こちらはフレアスターや小惑星の可能性が高い。サラ・ウェッブ

光源を発見したら、数時間後、数日後の明るさの変化を観察します。珍しい宇宙爆発の可能性がある場合は、他の望遠鏡を使って追加データを収集します。

遠い過去を見つめる

銀河は、星、ガス、塵、暗黒物質などが集まった巨大な集団です。銀河の形や大きさ、色はさまざまですが、現在私たちが目にしているのは、主に青色の渦巻き型と赤色の楕円型の2種類です。しかし、どのようにして形成されるのでしょうか?また、なぜさまざまなタイプがあるのでしょうか?

天文学者は、銀河の形や色がその進化に関係していることを知っていますが、どの形や色が特定の成長経路に関係しているのかを正確に解明しようとしています。

銀河の大きさや質量の成長には、大きく分けて2つの経路があると考えられています。1つは、巨大な水素雲が重力で崩壊して星を生み出すこと。より多くのガスが星に変わると、銀河は大きくなります。

ハッブル宇宙望遠鏡のような宇宙技術と地上の強力な望遠鏡のおかげで、天文学者は宇宙の歴史の中で銀河がどのように成長してきたかを過去にさかのぼって調べることができるようになりました。

これは、銀河が遠ければ遠いほど、その光が私たちに届くまでの時間が長くなるために可能となったものです。光の速度は一定なので、銀河の地球からの距離(「赤方偏移」と呼ばれる)さえわかれば、光がいつ放出されたかを知ることができます。

銀河の成長過程の研究で発見された遠方銀河の一部。近くの銀河とは全く異なる姿をしている。レベッカ・アレン

私は博士課程の一環として、宇宙がまだ10億年しか経っていない頃から、異なる赤方偏移で存在する銀河の画像を撮影し、その大きさを比較することで、この成長を測定しました。

銀河が合体するとき

現在、宇宙を見渡すと、ほとんどの場合、銀河が集まっているのが見えます。天文学者たちは、大都市に住む人々が地方に住む人々よりも多くの資源にアクセスできるのと同じように、銀河の周囲の性質や環境がその成長経路に影響を与えると考えています。

多くの銀河がグループ化されると、それらが相互に作用することがあります。そして、この相互作用が、特定の銀河内での星形成のバーストを刺激することがあります。

しかし、このような成長は長続きしないかもしれません。というのも、複数の銀河間の重力相互作用によってガスや星が剥ぎ取られ、1つの銀河内での将来の星形成や成長が制限されてしまうからです。

ハッブル宇宙望遠鏡で撮影された画像。渦巻き銀河のグループが写っているが、高解像度であるため、はっきりと判別できる。レベッカ・アレン

しかし、星を形成できない銀河であっても、小さな銀河と合体したり、小さな銀河を消費したりして成長することができます。例えば、天の川銀河は、矮小銀河であるマゼラン雲をいつかは吸収するでしょう。また、少し大きなアンドロメダ銀河といつか合体して、1つの巨大な銀河になります。
銀河の進化を解明する研究は数多く行われていますが、すべての疑問に答えたとは言えません。

現在私たちが観測している銀河団は、何十億年もかけて形成されました。しかし、天文学者が最新の技術を駆使して、これまで以上に遠くを覗き込むことができれば、銀河の環境がその成長にどのような影響を与えるかについて、手がかりを得ることができると期待されています。

写真は、宇宙が現在の4分の1の時代に存在していた2つの遠方銀河のグループ。これらの銀河群は、やがて集まっておとめ座銀河団のような構造を形成します。私は、この2つの銀河がどのように成長しているのかを調べました。レベッカ・アレン

時空の曲がり具合に秘密が隠されている

何十年にもわたる観測と何百万もの銀河の調査によって、専門家たちは銀河がどのように形成され、宇宙がどのように進化していくのかについて、多くの理論を持っています。この分野は宇宙論と呼ばれています。

アインシュタインの功績により、宇宙空間にある巨大な物体の重力によって、空間が曲がることがわかっています。これは、ブラックホールや銀河、銀河団などの中で、膨大な量の物質が一点に集中する「レンズ現象」として観測されています。

その重力は時空を歪め、巨大なレンズとして働き、背後にあるより遠くの天体の歪んだ画像を映し出します。このレンズ効果を利用して、天文学者は、他の方法では見えない遠方の銀河を発見し、研究する方法を開発しました。

銀河-銀河レンズのセット。巨大な前景銀河の重力が時空を歪め、レンズの役割を果たし、遠くの背景銀河の歪んだイメージを浮かび上がらせる。レベッカ・アレン

これらの観測結果は、銀河の進化についての理解を深めています。銀河がいつ、どのようにして形成され、成長するのかという理論に挑戦しています。

私を含む研究者グループが2018年に発見したあるものは、宇宙が現在の年齢の約6分の1しかなかった頃の、巨大ですでに進化した銀河のセットでした。これらの銀河は、現在の銀河成長のモデルに適合するためには、極めて急速に形成・成長しなければならなかったはずです。

今度の調査では、スウィンバーン大学のカール・グレイズブルック教授が私と私のチームを率いて、これらの初期銀河を研究するために、NASAのジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡へのアクセスを許可された最初の天文学者の一人になる予定です。

我々のチームが調査する巨大な静止銀河の一つ。非常に大きいが、古い星と距離があるため、はるかに明るく近い銀河の中では、小さな赤い塊のように見える。レベッカ・アレン(著者提供

画像はPexels/Pixabayの提供です。

この記事は、クリエイティブ・コモンズ・ライセンスの下、The Conversationから転載されています。オリジナルの記事を読む

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