国立天文台の播金優一さん (日本学術振興会特別研究員) を中心とする国際研究チームは、すばる望遠鏡、ケック望遠鏡、およびジェミニ北望遠鏡を使った観測により、地球から 130 億光年かなたの宇宙に 12 個の銀河からなる「原始銀河団」を発見しました (図１)。これは現在知られている中で最も遠い原始銀河団です。宇宙年齢が８億年の時代 (現在の宇宙年齢の６% 以下の時代) の初期宇宙に、活発に星を作りながら成長する原始銀河団が存在したことを示す、重要な成果です。
図１: 今回発見された観測史上最も遠方にある原始銀河団 (z66OD 原始銀河団) の擬似カラー画像。すばる望遠鏡による３色の観測データを合成することで、画像に色をつけています。青色の部分が z66OD 原始銀河団で、青色の濃さは原始銀河団を構成する銀河の天球面密度を表しています。拡大図の中心にある赤い天体が、原始銀河団に存在する 12 個の銀河です。画像全体の視野は 24 分角 x 24 分角 (129.7 億光年かなたの宇宙における実スケールで 1.98 億光年 x 1.98 億光年)、各拡大図の視野は 16 秒角 x 16 秒角 (220 万光年 x 220 万光年) に相当します。(クレジット：国立天文台/Harikane et al.)
現在の宇宙には、10 個程度の巨大な銀河を含む 1000 個程度の銀河の集まった「銀河団」が存在しています。この銀河団は宇宙で最も質量の大きな天体であり、銀河団同士はお互いに結びつき合ってさらに大きな構造 (宇宙の大規模構造) を作っています。そのため銀河団は宇宙の構造の要であり、138 億年の長い宇宙の歴史の中でどのように銀河団ができていったのかは天文学における重要な問題です。
銀河団の形成起源に迫るために、天文学者たちは銀河団の祖先だと考えられている「原始銀河団」を探してきました。原始銀河団は初期宇宙に存在する形成途中の銀河団で、10 個程度の銀河が密集している天体のことです。これまでの観測によりたくさんの原始銀河団が見つかってきましたが、その中で最も昔のものは、以前すばる望遠鏡がかみのけ座の方向にある「すばる深宇宙探査領域 (Subaru Deep Field; SDF)」で発見した SDF 原始銀河団でした。
「このような原始銀河団はいつの時代からあったのだろうか、という疑問を持って、私たちは研究を始めました。」そう語るのは、研究チームをリードした播金さんです。「なるべく昔、つまり遠くの宇宙を調べる必要があります。しかし、原始銀河団は周辺に比べて格段に密度が高い特別な領域で、稀な天体であり、簡単には見つかりません。そこで私たちは広い視野を持つすばる望遠鏡の最新撮像装置であるハイパー・シュプリーム・カム (Hyper Suprime-Cam) を使い、広大な領域の宇宙の地図を作り、原始銀河団の探査を行いました。」
研究チームは、すばる望遠鏡を用いた探査の結果、銀河が予想に比べて 15 倍密集している原始銀河団の候補「z66OD」をくじら座の方角に発見しました (図１)。さらにケック望遠鏡およびジェミニ北望遠鏡による追加分光観測により、12 個の銀河が地球から 129.7 億光年先 (赤方偏移 z=6.6、注) の位置に存在していることを突き止めました。分光観測を行なった小野宜昭さん (東京大学宇宙線研究所助教) は次のように話します。「12 個の銀河は３次元図の中でも密集しており、この観測結果から z66OD は、129.7 億光年かなたの宇宙に存在する原始銀河団であることがわかりました (図２)。これは SDF 原始銀河団の記録を約１億光年も塗りかえる、現在知られている中で最も遠い原始銀河団の発見です。」
図２: 今回の研究によって得られた銀河の分布の３次元図。黒い点が銀河の位置を示し、青色が濃いほど銀河の密度が高いことを示しています。赤色の矢印の先が今回発見された観測史上最も遠方にある原始銀河団です。図の上方向に伸びる軸が奥行きを、手前と右方向に伸びる軸がそれぞれ赤経・赤緯を表しています。(クレジット：国立天文台/Harikane et al.)
興味深いことに、z66OD にある 12 個の銀河の中には、2009年にすばる望遠鏡によって発見された巨大ガス雲天体「ヒミコ」がいました。「ヒミコのような巨大天体は質量が大きいので、同じく質量が大きいと考えられる原始銀河団の中にいること自体は不思議ではありません。しかしヒミコが原始銀河団の中心ではなく、中心から 5000 万光年も離れた位置にいたことに私たちは驚きました。」こう話すのはヒミコの発見者であり、研究チームのメンバーでもある大内正己さん (国立天文台・東京大学宇宙線研究所教授) です。大内さんは続けます。「どうしてヒミコが中心にいないのかはまだわかっていませんが、これは銀河団と巨大銀河の関係を理解する上で重要な手がかりになると考えています。」
さらに研究チームはすばる望遠鏡、イギリス赤外線望遠鏡、スピッツァー宇宙望遠鏡の観測結果をもとに、z66OD の中では驚くほど激しく星が生まれていたことを見つけました。「z66OD の中の銀河では、同じ時代、同じ重さの他の銀河に比べて５倍もの星が生まれていることがわかりました。z66OD は質量が大きいために、星の材料であるガスが周りから大量に供給され、星の生まれる効率が高いのかもしれません。」こう語るのは研究チームのメンバーの一人、ダルコ・ドネフスキーさん (イタリア・先端研究国際大学院大学研究員) です。
今回の発見により、活発に星を作りながら銀河団へと成長する原始銀河団が、宇宙年齢が８億年の時代 (現在の宇宙年齢の６%以下の時代) の初期宇宙に既に存在していたことがわかりました。研究チームメンバーの藤本征史さん (国立天文台特任研究員・早稲田大学研究院講師) は「近年の観測により原始銀河団には、塵に覆われた巨大な銀河も存在していることがわかってきています。今回見つかった z66OD にはまだそのような銀河は見つかっていませんが、今後アルマ望遠鏡などの観測が進むと、そのような巨大銀河も見つかり、z66OD の全貌が明らかになるかもしれません」と展望を語ります。
この研究成果は、米国の天体物理学誌『アストロフィジカル・ジャーナル』に2019年9月30日付で掲載される予定です (Yuichi Harikane, Masami Ouchi, Yoshiaki Ono, Seiji Fujimoto, Darko Donevski, Takatoshi Shibuya, Andreas L. Faisst, Tomotsugu Goto, Bunyo Hatsukade, Nobunari Kashikawa, Kotaro Kohno, Takuya Hashimoto, Ryo Higuchi, Akio K. Inoue, Yen-Ting Lin, Crystal L. Martin, Roderik Overzier, Ian Smail, Jun Toshikawa, Hideki Umehata, Yiping Ao, Scott Chapman, David L. Clements, Myungshin Im, Yipeng Jing, Toshihiro Kawaguchi, Chien-Hsiu Lee, Minju M. Lee, Lihwai Lin, Yoshiki Matsuoka, Murilo Marinello, Tohru Nagao, Masato Onodera, Sune Toft, Wei-Hao Wang, "SILVERRUSH. VIII. Spectroscopic Identifications of Early Large Scale Structures with Protoclusters Over 200 Mpc at z~6-7: Strong Associations of Dusty Star-Forming Galaxies")。また本研究は、文部科学省の世界トップレベル研究拠点プログラム、科学研究費補助金 (JP15H02064, JP15H03645, JP16J03329, JP17H01110, JP17H01114) によるサポートを受けています。
(注) 赤方偏移は宇宙論的距離を表す際に使われる指標です。本記事では、Planck 観測機チームが2015年に公表した宇宙論パラメータ (Planck Collaboration 2016, "Planck 2015 results. XIII. Cosmological parameters", "TT,TE,EE+lowP+lensing+ext" in Table 4; H0 = 67.74 km/s/Mpc, Ωm=0.3089, ΩΛ=0.6911) を用いて、赤方偏移から距離を計算しています。
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