ついに天の川の重さを量る方法が見つかるかもしれない

これまでの人生をひとつの町で過ごし、その町の大きさや範囲が全く分からないと想像してみてほしい。2019年において、それは想像もできない見通しだ。しかし、天文学的な観点から言えば、それはまさに私たちの状況だ。私たちは天の川銀河の大きさや実際の重さが全く分からないのだ。ありがたいことに、科学者たちはこれらの疑問に答える方法をいくつか持っている。天体物理学ジャーナルに掲載される新しい研究で、科学者たちは天の川銀河の大きさに関する新たな、より正確な推定値を報告している。その推定値は太陽の質量の1兆5000億倍で、半径は銀河の中心から約12万9000光年まで広がっているという。

これまで天の川銀河の質量を測ることができなかったのも、まったく驚くことではない。銀河は、暗黒の真空中に散らばる、何十億、何十億もの熱く激しい恒星、惑星、あらゆる大きさの物体でできている。そして、そこにあるすべてのもののほぼ 90 パーセントは暗黒物質で、いかなる形であれ直接観測されたことはない (その存在がわかっているのは、目に見える物体に作用するその重力を観測できるからである)。銀河の質量に関するこれまでの推定値は、太陽質量の 5000 億倍から 3 兆倍までと、かなり幅が広かった。

この不正確さは単なる孤立した謎ではない。他の天文学者が追求する研究にも影響を及ぼし、妨げている。「私たちは天の川銀河に住んでいるので、私たちがよりよく理解している銀河は他にはありません」と、ボルチモアの宇宙望遠鏡科学研究所の科学者で、この新しい研究の共著者である S. トニー・ソン氏は言う。「これは、私たちの宇宙論モデルなど、多くのものが天の川銀河に合わせて調整されていることを意味します。」基本的に私たちは、天の川銀河自体も含め、宇宙のあらゆるものがどのように発生し進化するかを理解するための基準として天の川銀河を使用している。

この研究に使うモデルでは、「最も重要な物理量は質量です」とソン氏は言う。質量がなければ、例えば銀河系内の暗黒物質がどのように機能し、どこに位置しているかを解明したり、80億年後にアンドロメダ銀河が我々の銀河系に衝突したときに何が起こるかを予測したりすることはできない。質量がすべてなのだ。

天の川銀河を巨大なスケールに置くのは無理なので、その質量をどうやって測定するのでしょうか。1 つの方法は、銀河内の他の物体の動きを測定し、元の位置に基づいてそれらの物体がどのくらい速く、または遅く動くかを調べることです。これは、天の川銀河の質量が大きいほど、銀河が物体に及ぼす重力が大きくなり、物体の動きが速くなるという考え方です。

これまで、これらの動きを一次元以上で研究するのは困難でした。そこで、ESA の前例のない Gaia ミッションが登場します。その明確な目的は、夜空全体をスキャンし、できるだけ多くの星をカタログ化し、それらの 3D 速度を提供することです。「3D の動きをよりよく理解できれば、より信頼性の高い質量推定値を得ることができます」と Sohn 氏は言います。彼と彼の同僚は、このミッションから 2 回目のデータ リリースを使用して、天の川銀河の球状星団やその他の星の集合体の動きを追跡しました。

研究チームはガイアのデータを使って、6万5000光年離れたところにある約34の球状星団の特徴を明らかにすることができた。しかし、ガイアは信じられないほど広い視野で宇宙をのぞき見ることができるが、その深さには限界がある。そこでソン氏と研究チームは、地球から13万光年離れたところにある他の12の星団を10年にわたってハッブル宇宙望遠鏡で観測し、データ収集を強化した。その後、研究チームはその数値を質量を判定できるモデルに当てはめ、天の川銀河の質量が太陽の1.5兆倍と推定された。

だからといって、この新しい推定値が完璧だとか、宇宙論に関する大きな疑問に完全に答えられるというわけではない。実際、ソン氏によると、この新しい数値の精度は 30 ～ 40 パーセント程度で、天の川銀河の質量の実際の値からはかなりかけ離れている可能性が高いと認めている。このような理想的な調査では、銀河の端まで移動物​​体を研究できるはずだが、ガイアはそこまで遠くを見ることができない。天文学者は、地球に近いところでわかっていることを取り入れ、最良のツールに基づいて、その値をより遠くの近似値に外挿するしかなく、限界がある。

それでも、これは以前のモデルに比べて大幅に改善されており、観測が増え、機器がより鮮明になるにつれて、この値がさらに正確になることは喜ばしいことです。ソン氏は、ガイアの3回目のデータリリースはわずか2、3年でリリースされる予定であり、チームはこの研究で使用したのと同じ方法を適用して、質量数をより正確なものに修正するのは比較的容易であると述べています。そして、修正のたびに、宇宙の過去、現在、未来を理解するための枠組みはより明確になります。