天の川銀河では毎年わずかな数の新しい星が誕生する一方、宇宙の各地ではさらに多くの星が輝き始めています。しかし天文学者たちは、利用可能な星間ガスの量からすれば、銀河では何百万個もの星がもっと生まれるはずだと観測しています。
現在、MIT、コロンビア大学、ミシガン州立大学の研究者らが、銀河団がどのように星形成を調整するのかを説明する理論をまとめました。研究者らは今週、学術誌「 Nature」でこの枠組みを発表します。
銀河団内のガスが急速に冷えると、凝縮し、やがて崩壊して新しい星を形成します。科学者たちは長年、より多くの星が生まれるほどガスが冷えないように何かが抑えているはずだと考えてきましたが、その正体は謎のままでした。
研究者らによれば、一部の銀河団では、銀河団内のガスが単に熱すぎるのかもしれません。温度は数億℃に達します。ある領域で多少冷却が起きても、周囲の熱の強さによってそれ以上冷えるのが妨げられます。これは「熱伝導」と呼ばれる効果です。
「沸騰した鍋に氷を入れるようなものです。平均温度はほとんど沸騰したままです」と、MITカブリ天体物理学・宇宙研究所のハッブル・フェロー、マイケル・マクドナルドは言います。「超高温では、熱伝導によって温度分布が平滑化され、星を形成するはずの冷たい雲ができません。」
いわゆる「クールコア」銀河団では、中心付近のガスは星をいくつか形成できるほど冷えている可能性があります。しかし、冷えたガスの一部は中心のブラックホールへ降り注ぎ、ブラックホールは高温の物質を噴き出します。その物質が周囲を再加熱し、多くの星が形成されるのを防ぎます。研究チームはこの効果を「降着駆動フィードバック」と名付けています。
「星はいくつか形成されますが、手に負えなくなる前にブラックホールがすべてを再び加熱します。銀河団のサーモスタットのようなものです」とマクドナルドは言います。「熱伝導と降着駆動フィードバックを組み合わせることで、銀河団の星形成がどのように制御されるのかを、簡潔かつ明確に説明できます。」
銀河の閾値を越えて
宇宙には、主に2種類の銀河団があります。急速に冷えて星を形成しているクールコア銀河団と、冷えるのに十分な時間が経っていない非クールコア銀河団です。
非クールコア銀河団であるかみのけ座銀河団は、摂氏1億度という猛烈な高温のガスで満たされています。星を形成するには、このガスが数十億年かけて冷える必要があります。対照的に、近傍のペルセウス座銀河団はクールコア銀河団で、その銀河団内ガスの温度は比較的穏やかな数百万℃です。ペルセウス座銀河団では、このガスが冷えることで時折新しい星が生まれますが、科学者たちの予測ほど多くはありません。
「星形成の燃料の量は星の数を10倍上回るので、こうした銀河団には本当に多くの星があるはずです」とマクドナルドは言います。「ガスが冷えるのを防ぐ何らかの仕組みが必要です。そうでなければ、宇宙には星が10倍も多く存在することになります。」
マクドナルドらは、冷却を抑える2つの仕組みに基づく理論的枠組みを構築しました。
研究グループは、銀河団の半径、質量、密度、温度に基づいて、銀河団内ガスの振る舞いを計算しました。その結果、ある臨界温度の閾値を下回るとガスの冷却が大幅に加速し、星を形成できるほど急速に冷えることが分かりました。
研究グループの理論によると、銀河団が温度閾値より上にあるか下にあるかによって、2つの異なる仕組みが星形成を調整します。閾値を大幅に上回る銀河団では、熱伝導が星形成を抑えます。周囲の高温ガスが、形成される可能性のある冷たいガスの塊を圧倒し、銀河団内のすべてを高温に保つのです。
「こうした高温の銀河団は高温状態にとどまり、冷えて星を形成することはありません」とマクドナルドは言います。「この非常に高温の領域に入ると、冷却は極めて非効率になり、そこから抜け出せなくなります。」
より低い閾値に近い温度のガスは、星を形成するほど冷えやすくなります。しかし、こうした銀河団では、降着駆動フィードバックが働き始め、星形成を調整します。冷却するガスは、星を形成できる液滴の雲へと急速に凝縮する一方で、中心のブラックホールへ降り注ぐこともあります。その場合、ブラックホールは高温の物質をジェットとして銀河団に放出し、周囲のガスを再加熱して、それ以上星が形成されないようにします。
「ペルセウス座銀河団では、こうしたジェットが高温ガスに作用し、泡や波紋、衝撃波を生み出す様子が見られます」とマクドナルドは言います。「今では、ガスが降着してブラックホールに落ち込んだことが、ジェットを引き起こしたとよく分かっています。」
軌道に乗る
マクドナルドらは理論的枠組みを遠方の銀河団の観測結果と比較し、その理論が銀河団間で観測された違いと一致することを見いだしました。研究チームはチャンドラX線観測衛星と、遠方にある巨大な銀河団を探す南極の観測施設、南極点望遠鏡からデータを集めました。
研究者らは理論的枠組みを、既知のすべての銀河団におけるガスの冷却時間と比較しました。その結果、銀河団は2つの集団に分かれました。非常にゆっくり冷える銀河団と、研究グループが臨界閾値として予測した速度に近い速さで急速に冷える銀河団です。
この理論的枠組みを用いれば、研究者らは銀河団と、そこで形成される星の進化を予測できるかもしれないと、マクドナルドは言います。
「銀河団がたどる軌道を構築しました」とマクドナルドは言います。「この枠組みの優れた点は、別の銀河団との正面衝突のような非常に破壊的な出来事で軌道から外れるまで、非常に長い間、2つの状態のどちらかにとどまることです。」
研究者らは、銀河団の星形成を調整する仕組みが個々の銀河にも当てはまるかどうかを確かめるため、理論をさらに詳しく調べたいと考えています。予備的な証拠はそうであることを示唆していると、同氏は言います。
「この情報をすべて活用して、私たちの周囲で星が形成される理由、あるいは形成されない理由を理解できれば、大きな前進です」とマクドナルドは言います。
「［これらの結果は］非常に有望に見えます」と、この研究には参加していないハーバード・スミソニアン天体物理学センターの天文学者、ポール・ヌルセンは言います。「降着がフィードバックを駆動するガスの主な供給源であることを決定的に示すには、さらなる研究が必要です。フィードバックのサイクルにおける他の過程も理解する必要があります。たとえば、巨大ブラックホールに落ち込むガスがどのように高エネルギーのジェットを生み出すのか、またそれらが残りのガスの冷却をどのように妨げるのかについて、まだ合意はありません。これで話が終わりではありませんが、誰もが予想していた以上に難しいことが分かった問題に対する重要な洞察です。」
この研究は、米国国立科学財団とNASAから一部助成を受けました。
この記事は MIT Newsとの協力により掲載されています。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。
アジェンダの最新情報を受け取るには、 週刊ニュースレターにご登録ください。
著者：ジェニファー・チューはMIT Newsのゲスト寄稿者です。
画像：NASAマーシャル宇宙飛行センターで撮影された5分間露光の写真に写るアイソン彗星。REUTERS/Aaron Kingery。
