銀河系の質量は太陽7000億個分、暗黒物質が約9割

ダークマターも計測、最も徹底的な最新の分析で明らかに

2016.06.03
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米ユタ州のナチュラル・ブリッジズ国定公園上空に広がる天の川の帯。(PHOTOGRAPH BY JIM RICHARDSON, NATIONAL GEOGRAPHIC CREATIVE)
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 地球を含む銀河系(天の川銀河)の質量については、天体物理学者たちに聞けば、たちまち議論が白熱するほど諸説入り乱れている。だが、その議論も決着に向かうかもしれない。カナダ、オンタリオ州のマックマスター大学の研究者らが新たな計測方法を提示したからだ。(参考記事:「天の川の新事実」

 この研究成果は5月31日、同国ウィニペグで開催中のカナダ天文学会(Canadian Astronomical Society)で報告された。それによると、銀河系の質量は太陽の7000億倍で、これまで出されてきた説の中では軽い方になるという。同時に、銀河系に含まれるダークマター(暗黒物質)は、従来の算出よりもやや多いとの結果が出た。目に見えず、まだ謎の多いダークマターは、銀河系を取り囲む雲のように存在していると考えられている。(参考記事:「謎に満ちた 見えない宇宙」

 銀河系の質量が現在どれだけあるのか分かれば、天文学者は我々の銀河の過去と未来をより深く理解できる。

 マックマスター大学の博士号候補生で、今回の研究を主導したグウェンドリン・イーディー氏は、「銀河系の質量を解明できれば、宇宙全体の中での位置づけをより深く知ることができます」と話す。

 第一に、どんな銀河でも、星が生まれ、存在し、死んでいく速度は、その銀河の総質量と関連があるとみられている。(参考記事:「太陽の210億倍、宇宙最大のブラックホールをもつ銀河を撮影」

「銀河の進化を研究する場合、その質量と進化がどう関係しているかに着目します」とイーディー氏。「銀河系の質量をより正確に把握できれば、銀河系や他の銀河がどのように生まれて進化するのかが分かります」(参考記事:「太陽の300兆倍、宇宙一明るい銀河を発見」

ダークマターの測り方

 銀河系にどれだけの物質があるのか、これまでの推定には大きなばらつきがあった。ある研究では太陽1兆個分とされる一方、別の研究では1000億個分にとどまるとも言われていた。(参考記事:「天の川銀河の基本尺度を精確に計測」

 こうした数値には、ちり、惑星、衛星、恒星、銀河系を周回する矮小銀河の一部など、私たちが見たり直接検出したりできる物質が全て含まれ、さらに銀河を取り囲むダークマターのハロー(かたまり)も含まれている。(参考記事:「銀河系中心部に巨大ブラックホールの種」

 他の物体に重力を及ぼすということしか分かっていないダークマターは、とりわけ測定が難しい。イーディー氏は、球状星団という老いた星の集団について大学院で研究を始めて以来、この問題に取り組んできた。

 最終的に、氏は銀河系のダークマターを測定する方法を考案した。銀河の周囲に存在する球状星団89個の、すでに分かっている動きと速度を利用するというものだった。

 球状星団を使ったのは、銀河全体に不規則に分散しており、また比較的大きくはっきりしていて、個々の恒星よりも追跡しやすいためだ。これらの星団が銀河の中心を周回する間、ダークマターは予測可能なパターンで星団を押したり引っ張ったりしている。

 ダークマターと銀河内で観測されている物体の質量とを合計することで、イーディー氏は銀河系の「質量プロファイル」を作成できた。それによると、銀河の中心からある距離までの範囲に含まれる、全ての物質の質量を推定できる。

 その結果、銀河系の質量は太陽7000億個分となり、「軽い銀河」派により近い結論となった。大きくて遠い球状星団や広く散らばった矮小銀河など、銀河の外縁にある物体の一部は実際には銀河系の重力に引っ張られていないため、銀河の総質量には含まれないと考える立場だ。(参考記事:「天の川銀河を周回する巨大な“構造物”」

 また現在、銀河系の恒星の質量は太陽約600億個分と推定され、それ以外ではガスとちりが約1~3%であることから、イーディー氏の研究結果にしたがえば、ダークマターが銀河系の質量の88%にものぼることになる。

まだ謎の多い「私たちの銀河系」

 銀河系の質量を算出しようとしたのはイーディー氏が初めてではない。だが、カナダ国立研究機関、ヘルツバーグ天体物理学研究所の研究官で機器のスペシャリストでもあるアラン・マコナキー氏は、「幅広い種類のデータをまとめており、現時点では最も徹底的な分析の1つ」と評価する。

「球状星団が動く速度や方向を突き止めるのはとても難しいことです。銀河系に関して、これらのデータ全てを一貫性のあるモデルにまとめるのは大きな挑戦といえます」とマコナキー氏。

 同氏は続けて、「私たちは銀河系に生きているにもかかわらず、その銀河の重さははっきり分かっていないと言うと、一般の人にいささか驚かれることがあります」と語った。「今回の研究成果により、私たちが暮らす場所の重さが分かったと、自信を持って言える段階に大きく1歩近付きました」(参考記事:「銀河系の中心に星の墓場を発見、謎のX線を放出」

 イーディー氏は、今回の結果はダークマターの性質を特定しようと尽力している天体物理学者たちへの刺激にもなると考えている。

「夜空に見える天の川は広大です。夜の闇に横たわる星々やちりの川は美しく、壮大で、途方もなく広がっています」とイーディー氏は言う。「ですが、自分が見ているのは実際に存在している物の約5分の1でしかないと思うと、見過ごしている物が何なのか突き止めたいという気になるのです」

文=Michelle Z. Donahue/訳=高野夏美

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