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娯楽記事

北村はじめの『ちょっと立ち読み』


宇宙の銀河の数

23/01/2017


 

 

はじめに

雲なきみ空に 横とう光 ああ洋々たる 銀河の流れ(以下略) 

幼いころから聴きなれた星の界(よ)の歌詞だ。天文学者が長年研究してきたなかで解明出来ていない宇宙の謎のひとつが、宇宙にある銀河の数である。観測可能な宇宙の銀河は、近年およそ二千億個と考えられてきたが、新たな研究で二兆個以上あることが推測できると発表された。その研究は、イギリス・ノッティンガム大学のクリストファー・コンセーリチェ教授教授がイギリスの科学誌『ネイチャー』、アメリカの『天体物理学ジャーナル』、アメリカの天文学専門誌『アストロノミカル・ジャーナル』、国際天文学誌『天文学と天体物理学』に発表したが、本特集三頁目に掲載した主として五つのサイトの助けを借りながら、まとめてみた。

 

 

 

大論争 Great Debate

 

一九二〇年四月二十六日、アメリカ国立科学アカデミーで、「宇宙の大きさ」をテーマに大論争が行われた。それは、ハーロー・シャプレーとヒーバー・ダウスト・カーチスが自論を主張した『宇宙の大きさ』と題する公開討論会で、「The Great Debate」と呼ばれた。

このときシャプレーは、「我々の銀河系の大きさは直径約三十万光年程度で、渦巻星雲は球状星団と同じように銀河系内にある」との説を主張。対するカーチスは、「銀河系の大きさは直径約二万光年程度で、渦巻星雲は我々の銀河系と同じような他の銀河である」との主張を展開した。

この論争はこの場では決着がつかなかったが、この論争を境に、銀河系と宇宙の大きさに関する認識が深まったことはよかった。

 

 

 

宇宙の開拓者 ハッブルさん

 

この論争に決着をつけたのが、近代を代表するアメリカの天文学者、エドウィン・パウエル・ハッブル(一八八九-一九五三年)だった。ハッブルは、現代の宇宙論の基礎を築いた人物である。

一九二四年にハッブルがアンドロメダ銀河(当時の呼称はアンドロメダ星雲)の中に二つの変光星を発見し、アンドロメダ銀河までの距離を約百万光年と計算した。これで、銀河系の大きさについてはシャプレーが勝ち、「渦巻き銀河は銀河系の外にある独立した銀河である」とした点はカーチスの正しさが明らかにな

天体までの距離を測定することは、天文学の基本である。精度の極めて高い距離の測定は、天文学の重要、かつ地味な側面なのだ。

エドウィン・パウエル・ハッブルは、我々の銀河系の外にも銀河が存在することや、それらの銀河からの光が宇宙膨張に伴って赤方偏移(註:天文学において、観測対象からの光〈可視光だけでなくすべての波長の電磁波を含む〉のスペクトルが長波長側〈可視光で言うと赤に近い方〉にずれる現象を指す)していることを発見した。

エドウィン・ハッブルが一九二四年、太陽系がある天の川銀河に隣接するアンドロメダ銀河が、天の川銀河の一部ではなかったことを証明してからというもの、では一帯宇宙にはどれくらいの銀河が存在するのかという問題に、科学者は苦労してきた。

だが、銀河の数の正確な把握はおいそれと簡単にはいかない。そもそも、遠方の天体から放たれた光の矢の到達範囲は有限で、宇宙全体の一部にしか届かないということを覚えておこう。

 

 

 

 

ハッブル宇宙望遠鏡の大活躍

 

一九九〇年の打ち上げから、地上約六百キロ上空の軌道上を周回しながら天体観測を行いデータを収集しているのがハッブル宇宙望遠鏡だ。ハッブル宇宙望遠鏡で、一九九五年十二月十八日~二十八日までかけて撮影された三百四十二枚の画像を組み合わせたハッブル・ディープ・フィールド(註1)により、天文学史上初めて観測可能な宇宙にある銀河の数が約千億~二千億個と予測された。

天文学で最も基本的な疑問のひとつは、序文にも書いたように、宇宙にはどれくらいの銀河があるかということだ。一九九〇年代半ばに撮影された画期的なハッブル・ディープ・フィールドは、宇宙の銀河数に対する初めての本格的な洞察となった。それに続くハッブル・ウルトラ・ディープ・フィールド(註2)のような微妙な観察で、無数の微光の銀河が現れた。この観察で、観察可能な銀河は、宇宙におよそ二千億個存在するという予想に至った

註1:ハッブル・ディープ・フィールド(略称:HDF)とは、ハッブル宇宙望遠鏡による一連の観測結果に基づいた、おおぐま座の非常に狭い領域の画像である。ハッブル深宇宙などとも呼ばれる。
註2:ハッブル・ウルトラ・ディープフィールド(略称:HUDF、ハッブル超深宇宙探査)とは、宇宙望遠鏡科学研究所が行ったハッブル宇宙望遠鏡による超深宇宙領域の探査である。

 

 

 

 

英・ノッティンガム大学の研究チーム

 

ところが、このほどイギリス・ノッティンガム大学のクリストファー・コンセーリチェ教授が率いる研究チームは、ハッブル宇宙望遠鏡で二十年以上かけて収集された深宇宙の狭い領域の画像データを大変な労作業を経て三次元に変換し、銀河の分布図を作成した。分布図と新しい計測モデルから、現在の技術では観測不可能なほど暗く遠いところにある銀河の個数密度の推測を試みた。

それは、宇宙の歴史で異なる時代の銀河の数を正確に予測するためだった。観測可能な宇宙にある銀河の数を再測定したところ、何と最低でも二兆個以上あると強く確信したと

ハッブル・ウルトラ・ディープ・フィールドで得られた二千億個を基準とすれば、以前考えられていた数の十倍多くの銀河が観察可能な宇宙にあるという驚きの結論をノッティンガム大学の研究者は導き出した。

発表が正しければ、NASAのハッブル宇宙望遠鏡と他の天文台が行った観測調査から集められた深宇宙の調査のおかげで、宇宙はこれまでよりもっと星座で込み合っている、ということが想像できるようになってきた。

データの分析にあたり、イギリスのノッティンガム大学のクリストファー・コンセーリチェ教授ら研究チームが一定の年代ごと(距離ごと)にいくつ銀河が存在するのかを調べたところ、初期宇宙に非常に多くの銀河があることが予測できたという。初期の宇宙空間、つまり宇宙が誕生してからまだ数十億年しかたっていない時期には、一定の空間体積内に存在する銀河の数は、現在の宇宙に見られる数の十倍ほどもあったと確信したという。これらの初期宇宙の銀河のほとんどは、天の川銀河を囲む衛星銀河ほどの質量しかない小さく暗いものだったという。ただ、現実は、それがどこまで正確かが問題である。

「この研究結果は、過去の宇宙に多くの銀河があり、合体を繰り返すことによって大きな銀河を形成したので、その数が減っていったことを示す結果だ。宇宙における銀河の〝密度〟、つまり分布度は薄くなった。このことは、銀河が宇宙の暦史を通して、同じ数で存在していたわけではないということを示している」(コンセーリチェ教授)。

 

 

 

銀河の合体現象で重大な進化が起きた

 

今回の研究では、宇宙の起源と考えられている大爆発「ビッグバンが起きて間もない百三十億年以上前まで時間をさかのぼる分析を試みた。その結果は、「銀河同士の大規模な合体現象を通じて、銀河の数が減少する重大な進化が起きたに違いない」と、同教授らは断定した。初期の宇宙の無数の小さい微光の銀河は、時間とともに、我々が現在観測できる、より大きな銀河へと合体していったのだと結論した。

 

 

 

見えていない銀河が九割ある

 

さらに、研究チームは、現世代の望遠鏡では観測不可能な銀河の存在を推論しようと、最新の計測モデルを使用して、望遠鏡の観測範囲を超える「不可視の」銀河の数を推計した。その推計の結論は、その大半があまりに光が弱くて遠く離れているために見えていないという認識に到達した。その数を、観察可能な宇宙には、我々が現在見る銀河の数とその質量に対して、更に九十パーセントもの銀河があるに違いないとする驚くべき結論を導き出した。今回推定した二兆個よりもさらに多い数の銀河が、観測可能な宇宙に存在している可能性が高いと明らかにした。

これらの研究結果の中で、この部分は過去に打ち出された二つの説に関連している。まず一つは、有名な「オルバースのパラドックス」だ。

 

 

 

オルバースのパラドックスにひとつの解答

 

この研究には、ドイツの天文学者ハインリッヒ・ヴィルヘルム・オルバース(一七五八-一八四〇年)が千八百年年代前半に打ち立てたオルバースのパラドックスの解決に一部寄与するものが含まれているようだ。宇宙に無限の星があるならば、なぜ、夜の空は暗いのか?というパラドックスに対して、研究チームは、原則として、空のどんな一角にも銀河の一部があるほど多量の銀河が事実としてあるという結論に達した。

今回の論文では、宇宙の遠く(つまり過去)に銀河の個数はたくさんありそうだが、小さくて暗いことや遠いことが原因で、夜空の明るさにはほとんど寄与しないことが計算で示されている。

論文の著者であるクリストファー・コンセーリチェ教授は、この部分が、オルバースのパラドックスの解答の一部であり、新しい事実だ、と論文で主張している。

オルバースのパラドックスの解答には、宇宙年齢が有限で有り、それにともない、見える宇宙の体積が有限であること、宇宙の遠方では、宇宙膨張により光の波長が伸ばされて、目で見える波長ではないことの他にもいくつか物理的な原因もあるが、そのすべての解答が必要になってくる。

だから、解答はひとつだけでは不十分で、色々な組み合わせを示すことで解答になることは、研究発表の著者自身も論文の中で認めている。

オルバースのパラドックスについて、少し触れておこう。

「宇宙が一様で無限の広がりを持つならば、宇宙は無数の星によって太陽面のように明るく輝かなければならないが、現実の夜空が暗いのは何故か」と、オルバースが問いかけたことで知られる。

この宇宙には太陽より遥かに明るい星が無数にある。今の所、実視等級が太陽より明るい恒星はない。しかし、絶対等級が太陽より明るい星は無数にある。夜空に見える一等星や二等星のほとんどが太陽より明るい。冬の大三角形と言われるおおいぬ座α星シリウス、こいぬ座α星プロキオン、オリオン座α星ペテルギウスの三つの一等星などは太陽より明るい。

それらの光は常に地球に降り注いでいる。それでも夜空が暗いのはどうしてだろう?と、オルバースは言っている。 銀河からの星明りは、宇宙の中の紫外光を減らす他の要因によって、人間の目にも最新鋭の望遠鏡にも見えない。その要因が、宇宙の膨張、宇宙のダイナミックな性質、そして銀河系間のちりとガスによる光の吸収で、光を赤化している。すべての要因が混ぜ合わされて、我々の目には夜空が暗くたもたれている。

もし、一億光年先や、十億光年先の星を見る能力をもった人間がいたら、夜空はびっしり星に覆われて見えるにちがいない。 

 

 

 

銀河誕生の理論トップダウンとボトムアップ

 

コンセーリチェ教授は、こうも話している。

「これらの結果は、銀河の重要な進化が宇宙の歴史を通して起こったという強力な証拠になる。そして、銀河は銀河間での合体を通して銀河の数は大幅に減ったのである」と。

私が指摘した二つの問題のうちのもうひとつがこの銀河形成の問題である。

この論文の内容が正しいとすると、宇宙の過去に暗い小さな銀河が多数あって、宇宙が進化するにつれて、銀河同士の合体で、より大きな銀河になるとともに、銀河の個数自体は減少してきていることを論文は示している。

そこで日本の天文学者に聞いてみた。「これは、銀河形成のシナリオで言えば、ボトム・アップ説を強く支持するものだ…」と答えてくれた。

銀河の誕生理論としては、一九七〇年代からトップダウン説とボトム・アップ説という二つの理論がある。

トップダウン説
まず大規模構造となる巨大なガスの塊ができて、そこから超銀河団の元となる塊が分かれ、さらに銀河団→銀河群→銀河という順に小さい構造が生まれていったと考えるのが、トップダウン説だ。

ボトムアップ説
小さな天体、銀河などから始まって、それがだんだん成長・合体して、その中でも密度の高いところで銀河群や銀河団ができ、さらにそれらが集まって超銀河団や宇宙という大規模構造ができたと考えるのが、ボトムアップ説。

そこで、現在では、ボトム・アップ説が有力になっている。ちなみに、もともとの論文の中には、トップ・ダウン説のことは一言も出てきていない。

 

 

 

世界最大 ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が完成

 

「宇宙に存在する銀河のうち九割以上がまだ調査されていないということに仰天する。将来世代の望遠鏡でこれらの銀河を発見するとき、どんな興味ある特性を見つけるかを、誰が今から分かるだろうか? 近い将来、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(以下JWSTと表記)で、これらの超微光銀河を調査することができるようになる」と、コンセーリチェ教授は話した。

そこで、JWSTとは何かを、簡単に説明したい。

NASAは二〇一六年十一月二日、建設に二十年以上を要したJWSTが完成したと発表した。

そして、NASAが中心となり欧州宇宙機構(ESA)、カナダ宇宙庁(CSA)などと開発が進められているJWSTの主鏡が、メリーランド州グリーンベルトのゴダード宇宙飛行センターで報道公開された。

JWSTはハッブル宇宙望遠鏡の後継で、打ち上げに成功すれば史上最大の宇宙望遠鏡となる。主鏡はベリリウムを主体とした六角形の鏡十八枚で構成され、口径は約六・五メートル、ハッブル望遠鏡(口径二・四メートル)の二十五倍、面積は七倍以上になる(引用:Slashdot)。

折り畳まれた状態でロケットに搭載、打ち上げ後宇宙空間で展開される。ハッブル宇宙望遠鏡は高度五百六十キロメートルの地球周回軌道を回っているが、JWSTは地球から百五十万キロメートルの距離で太陽を周回する。二〇一八年にフランス領ギアナからの打ち上げを待ちたい。

宇宙の実相に少しずつ迫るであろうJWSTは、期待の星ならぬ、期待の宇宙望遠鏡なのである。

最後におまけだ。欧州宇宙機関が、地球から観測できる銀河の数を「七兆三千七百五十億」に訂正した。ちなみに、新たにわかった観測できる「星の数」は三百億兆個(30,000,000,000,000,000,000,000)とのこと。これをJWSTが正しいか正しくないか証明してくれることを期待したい。

第一部は今回の五十回をもって終わります。次回から第二部として始まります。

 

 

 

【主な引用及び参考文献】
いずれも2016年11月30日から12月14日までのアクセス。
http://www.space.com/34382-universe-has-10-times-more-galaxies-hubble-reveals.html
http://www.nasa.gov/feature/goddard/2016/hubble-reveals-observable-universe-contains-10-times-more-galaxies-than-previously-thought
http://www.spacetelescope.org/news/heic1620/
http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2016/39/image/
http://www.cnn.co.jp/fringe/35090534.html

 

 


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