銀河は星の工場です。しかし、巨大な 楕円銀河など一部の銀河では、星を形成する時代はすでに終わっています。利用可能なガスはすべて、すでに1,000億個を超える星へと変わっています。
こうした銀河には、宇宙にこれまで存在したすべての星の約半数が集まっています。
天文学者たちは、 Science誌に掲載された新たな研究で、こうした銀河の中で星形成の火がどのように消えたのかを突き止めました。
多くの場合、まず銀河の中心部で星形成が抑制され、数十億年後になってようやく外縁部のガスも尽き、星を生み出さなくなるようです。
巨大銀河は内側から外側へと死んでいくというこの発見は、星形成を促進・阻害するメカニズムを理解しようとする天文学者にとって有用です。そして究極的には、宇宙の歴史を解き明かし、今日存在するような銀河が見られる理由を理解することにつながります。
私たちの宇宙、タイムマシン
天文学の驚くべき点の一つは、宇宙をのぞき込むたびに、私たちは過去を見ているということです。宇宙はあまりにも広大で、光は宇宙空間を秒速30万kmで進むにもかかわらず、その旅には数十億年かかることがあります。
6,500万光年離れたおとめ座銀河団の光は、恐竜が絶滅したのとほぼ同じ頃に旅を始めました。
NASA、ESA
この研究で調査された22個の銀河から放たれた光が私たちに届くまでには、100億年以上かかりました。私たちが見ているのは、宇宙の年齢が約30億年だった頃のこれらの銀河です。
それは宇宙の最盛期で、銀河は現在の約20倍の速さで盛んに星を形成していました。毎年、巨大銀河は太陽のような星に換算して数百個分を生み出していました。それに比べ、私たちの天の川銀河が1年に生み出す太陽のような星はわずか4個です。
そして宇宙が若かった頃、最も質量の大きな銀河が 最も速い成長を遂げていたことが、オーストラリアでGAMAプロジェクト（Galaxy and Mass Assembly）によって確認されています。これは、 アングロ・オーストラリア望遠鏡を用いて進められている大規模研究です。
では、成長はどのように鈍化するのでしょうか？
着実に進む
この問いに答えるため、博士課程の学生である サンドロ・タッケラ と同僚たち（スイス、チューリッヒ工科大学）は、ハッブル宇宙望遠鏡（HST）と欧州南天天文台の超大型望遠鏡（VLT）の両方の観測データを用いました。HSTの画像は、銀河内における古い星の分布、つまり過去に星形成が起きた場所をたどるために使われました。
天文学者たちは、VLTに搭載された SINFONI という装置を使い、星形成が活発に起きている領域を探しました。そのために、若く高温の星が放つ放射によって励起または 電離 した水素ガスを探します。
有用な観測とするには、どちらのデータも小さな空間スケールでの変化を追跡する必要がありました。HSTは宇宙空間にあり、地球大気によるぼやけの影響を受けないため、それが可能です。
地上にあるVLTが遠方銀河の小さな領域を分解して観測するのは、より困難です。VLTはチリの地表にあり、地球大気の影響を打ち消さなければならないからです。VLTは人工星（レーザーで生成）を観測してこれを行い、その後、 鏡を変形させて星の光を安定させます。これにより、結果はいっそう印象的なものとなります。
VLTは人工星を使って大気の乱れを追跡します。
ESO/G・ヒューデポール
赤く、死んだ銀河
観測データを合わせて見ると、サンプル中で最も質量の大きな銀河では、中心領域で星が急速に形成された後、星形成が停止していました。一方、銀河の外縁部では、ゆっくりと着実な星形成が続いていました。
さらに、質量が同程度で、より近くにある銀河とも比較しました。近くにある銀河は、 ビッグバン以来、はるかに長い時間を経ています。
これらは「赤く、死んだ」銀河です。若く高温の青い星よりも低温で進化した赤い星しか含まず、星形成がすっかり止まっているため、そう呼ばれます。星を形成しなくなった銀河は、もはや成長していないため、「死んだ」銀河なのです。
巨大銀河の中心部のバルジは、若い（つまり遠方の）銀河でも、古い（つまり近傍の）銀河でも、非常によく似ています。こうした近傍銀河は現代における対応例であり、中心部のバルジが100億年前にはすでに現在と同じ形になっていたことを示しています。
何が銀河を死なせるのでしょうか？
銀河の星形成が止まる仕組みを理解するうえで重要なのは、そのガスがどこにあるかを知ることです。ガスは新たな星が生まれるための燃料で、たき火を燃やし続けるためにくべる薪のようなものです。燃やすには薪があるだけでは不十分で、火をつけるために火の中へ投げ込まなければなりません。
銀河からガスをはぎ取ったり、星を生み出すために必要な銀河円盤へガスが届くのを妨げたりする可能性のあるメカニズムはいくつかあります。こうした過程の中には銀河自体に由来するものもあれば、その銀河がある近隣環境の混み具合に左右されるものもあります。
多くの銀河、特に楕円銀河は、銀河団と呼ばれる銀河が密集した「都市」にあります。こうした高密度環境では、 ガスが銀河からはぎ取られる ことが、 ラム圧ストリッピング や 銀河の窒息などの過程によって起きると考えられてきました。
しかし、こうした過程は銀河の外縁部からガスを取り除くものであり、星形成に必要なガスが銀河の周辺部で最も長く残るというタッケラの発見とは相いれません。
天の川銀河よりやや質量の小さい近傍銀河を対象としたGAMAの研究でも、銀河形成がその局所環境によって抑制されるという 証拠は見つかりませんでした 。その研究の銀河は、太陽のような星を年に数個生み出すペースで星形成を続けており、環境要因による星形成の停止は非常に急速な過程である可能性を示しています。
銀河へのガスの流入を止め、星の新たな燃料を枯渇させるような外的要因を完全に排除することはできません。しかし、観測されたような内側から外側へと進む星形成の抑制について、タッケラと同僚たちは、その過程は銀河内部に由来する可能性が高いと指摘しています。
ブラックホールの登場
銀河の中心核では何が起きているのでしょうか？それは 巨大なブラックホールです。天文学者はこれを超大質量ブラックホールと呼びます。通常、太陽数百万個分、あるいは10億個分もの質量を持つからです。
ブラックホールは強い重力で物質を引き寄せることで知られています。しかし、強力な風やジェットを巻き起こし、銀河の外へガスを押し出すこともあります。
超大質量ブラックホールからの流出は、銀河内の星形成を抑制することがあります。
ESA/ATG medialab
つい先月、 Nature 誌は、超大質量ブラックホールが 風を吹き出し 、銀河から星を形成する可能性を奪ったことを示す初の検出結果を発表しました。
さらに、星形成が抑制されているのは最も密度の高い銀河中心部に限られており、臨界密度に達すると銀河が安定し、新鮮なガスを中心部へ取り込まなくなり、 星形成を自ら抑制するようになる可能性を示唆しています。
100億光年離れた銀河の集団を観測し、銀河の成長が終わった領域と比べて、どの領域がまだ活動しているのかを詳しく調べられるのは、驚くべきことです。この成果は、巨大銀河がなぜ、どのように新たな星の形成を止めるのかという、長年の問いに新たな知見をもたらします。
この記事はもともと The Conversationに掲載されました。 原文を読む。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味するものではありません。
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著者：タニヤ・ヒルは、メルボルン大学の名誉フェローであり、ビクトリア博物館の上級学芸員（天文学）です。アマンダ・バウアーは、オーストラリア天文台の天文学者兼広報担当官です。サラ・ブローは、オーストラリア天文台のフューチャー・フェローです。
画像：ハッブルの高性能カメラで2003年から2012年に撮影された別々の露光画像を合成したもの。REUTERS/HUDF/NASA/Handout via Reuters.
