宇宙は巨大な構造体でつながっているという証拠が増えてきた。
世界のレポートを紹介する「VICE」は2019年11月11日に、科学者たちは、基本的な宇宙論モデルの予測に反して、銀河が巨大な距離を超えて互いに移動できることを発見している。その理由は、私たちが知っている宇宙のすべてを変えるかもしれない。
私たちが住んでいる天の川銀河は、宇宙に散らばる数千億個の銀河のひとつで、渦巻き銀河や、星がちりばめられたループ状の環状銀河、宇宙のあらゆるものを凌駕する古代銀河など、その種類は驚くほど多い。
しかし、それぞれの銀河の違いや、気の遠くなるような距離にもかかわらず、まるで目に見えない大きな力でつながっているかのように、奇妙でしばしば説明のつかないパターンで一緒に動いている銀河があることに、科学者たちは気づいている。
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数百万光年の距離にある銀河は、互いに重力の影響を受けていることが予想されるが、遠く離れた銀河の間では、そのような局所的な相互作用を超えた不思議なパターンが観測されている。
この発見は、「大規模構造体(large-scale structures)」と呼ばれる、宇宙で最も大きな天体の謎めいた影響を示唆している。
「大規模構造」は、水素ガス(hydrogen gas)や暗黒物質(dark matter)でできており、フィラメント(filaments)やシート(sheets)、結び目(knots)などの形をしており、「宇宙の網(cosmic web)」と呼ばれる広大なネットワークで銀河をつないでいる。これらの構造は、銀河の進化や動きに大きな影響を与えていることがわかっているが、これらの構造を動かしている根本的な力学については、まだほとんど解明されていない。
これらの現象の中には、宇宙についての最も基本的な考え方を覆すものもあるため、科学者たちはこれらの新しい詳細を得ることを熱望している。
「ドイツのAIP(Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam/Leibniz-Institut for Astrophysics/ライプニッツ宇宙物理学研究所)の宇宙研究者であるノアム・リベスキンド(Noam Libeskind)は、「重力の法則や、物質、暗黒物質、暗黒エネルギー、そして宇宙の性質を探り、制約する方法なのです。(It’s a way of probing and constraining the laws of gravity and the nature of matter, dark matter, dark energy, and the universe.)」と述べている。
遠くの銀河が一斉に動いているのはなぜか？
銀河は重力によって結合した銀河団を形成し、その銀河団はさらに大きなスーパークラスターに属する傾向がある。例えば、地球の長編宇宙講座では、天の川銀河が数十個の銀河が集まった「ローカルグループ」に属していることを指摘しなければならない。ローカルグループは、1,000個以上の銀河を含むおとめ座超銀河団(Virgo supercluster)の中にある。
このような「ローカル」なスケールでは、銀河同士が互いのスピンや形状、角速度を頻繁にいじり合う。時にはある銀河が別の銀河を食べてしまうこともある。これは「銀河の共食い(galactic cannibalism)」と呼ばれる現象である。しかし、いくつかの銀河は、それぞれの重力場では説明できないほどの距離を超えて、ダイナミックなつながりを見せている。
例えば、2019年10月にアストロフィジカル・ジャーナル誌(The Astrophysical Journal)に掲載された研究では、数百の銀河が、数千万光年離れた銀河の動きと同期して回転していることがわかった。
「主著者である韓国天文宇宙科学院の天文学者이준협(李俊赫/Joon Hyeop Lee, an astronomer at the Korea Astronomy and Space Science Institute)は、電子メールで「この発見は非常に新しく、予想外です。」「この現象に関連した観測報告や数値シミュレーションによる予測は、これまでに見たことがありません」と述べている。
地球から4億光年以内にある445個の銀河を調べたところ、地球に向かって回転している銀河には、地球に向かって移動している隣人が多く、反対に回転している銀河には、地球から遠ざかっている隣人が多いことに気づいた。
「6メガパーセク(megaparsecs/約2,000万光年)離れた銀河が直接相互作用することはありえないので、観測されたコヒーレンスは大規模な構造と何らかの関係があるはずです」と이준협は語っている。
이준협たちは、同期している銀河は、非常にゆっくりと反時計回りに回転している。同じ大規模構造に沿って埋め込まれているのではないかと考えている。そのような大規模構造が、今回のような銀河の回転と隣接する銀河の運動との間のコヒーレンスを引き起こしているのかもしれない。
今回のように、銀河が奇妙に同期している例は斬新だがが、科学者たちはこれまでにも、もっと気の遠くなるような距離にある銀河の間で奇妙な一致を観測してきました。
2014年、あるチームは、数十億光年にわたって広がる古代の超光輝銀河であるクエーサーの中心部で、超巨大ブラックホールの奇妙な配列を観測した。
ベルギー・リエージュ大学の天文学者、ダミアン・フテメカーズ(Damien Hutsemékers, an astronomer at the University of Liège in Belgium)率いる研究チームは、チリのVLT(Very Large Telescope/超大型望遠鏡)を用いて、わずか数十億年前の宇宙を観察することで、この不気味な共時性を観測することができた。
この観測では、約100個のクエーサーからの光の偏光が記録されており、研究チームはそれをもとに、クエーサーの中心にあるブラックホールの形状と配列を復元した。その結果、このグループの19個のクエーサーは、数十億光年離れているにもかかわらず、回転軸が平行であることがわかった。
この発見は、宇宙初期の広大な距離にある銀河の力学に、大規模な構造が影響を与えていたことを示すものであり、学術誌「Astronomy & Astrophysics」に掲載された。
ダミアン・フテメカーズ教授は、電子メールで「銀河のスピン軸は、宇宙フィラメントのような大規模構造と整列することが知られていますが、これはより小さなスケールで起こることです。」
「しかし、なぜクエーサーの軸が、そのクエーサーが組み込まれている大規模なグループの軸と一致するのかについては、今のところ説明できません。」と述べている。
全てを変えてしまうかもしれない「シンクロする銀河」の真実
この同期銀河の秘密は、宇宙に関する基本的な仮定の一つである「宇宙論的原理」を脅かす可能性がある。
この原理は、宇宙は極めて大きなスケールでは基本的に一様で均一であるとするものである。しかし、「このような極端なスケールでクエーサーの軸に相関関係が存在することは、宇宙論的原理にとって重大な異常を意味する」と、ダミアン・フテメカーズたちは研究で指摘している。
しかし、ダミアン・フテメカーズは、これが宇宙論的原理の重大なしわであることを証明するためには、このような構造をもっと多く発見し、研究する必要があると警告している。「本当の異常を確認するためには、他にも似たような構造が必要です。」と彼は言う。
今のところ、これらのクエーサーの位置の背後にある力学は、それを精査するための観測技術がほとんどないため、よくわかっていない。
ダミアン・フテメカーズは、「大規模な整列に関する限り、基本的にはさらなるデータを待つことになります」と述べている。「このような研究は統計的なものであり、一歩前進するためには大量の偏光データが必要ですが、現在の機器では簡単に集めることはできません」と言う。
スクエア・キロメートル・アレイのような将来の電波望遠鏡を使えば、このような神秘的な配列をより詳細に調べることができるかもしれない。
「科学の素晴らしいところは、何千ものデータを使ってモデルを構築しても、一つのことがうまくいかないと、それがひび割れてしまうことである。その割れ目を塞がないと、家全体が壊れてしまうのです。」と言う。
奇妙に同期した銀河が確立された宇宙モデルに与えるハードルは、クエーサーの配列だけではない。実際、最近の宇宙論では、天の川銀河のような大きな銀河の周りに、矮小銀河が整然と並んでいるように見えるという意外な現象が議論の中心になっている。
これらの衛星銀河は現在、ビッグバン以降の宇宙の時系列を理論的に表したΛCDMモデルと呼ばれるモデルの障害となっている。
ΛCDMモデルによる宇宙のシミュレーションでは、小さな衛星銀河は、大きなホスト銀河の周りをランダムに周回する群生状態になると予測されている。
しかし、この10年間の新たな観測により、天の川銀河の周りにある衛星銀河の大部分が、一つの整然とした軌道面に同期していることが明らかになりました。当初は、これは単に私たちの銀河に何か変なことが起きているのではないかと考えられていましたが、アンドロメダ(Andromeda)の周りにも同じような衛星の平面が観測された。
さらに2015年には、天の川銀河から約1,000万光年離れた楕円銀河、ケンタウルス座A(Centaurus A)の周辺で3度目の同じ現象が観測されたことが発表され、警鐘が鳴らされました。
この発見は、「標準的な宇宙論的シミュレーションに何か問題があることを示唆している」と、フランス・ストラスブール大学の天文学者であるオリバー・ミュラー(Oliver Müller, an astronomer at the University of Strasbourg in France)が率いるScience誌の2018年の後続研究で述べられている。
「現時点では、最も近い3つの銀河でこれを観測しています。」とオリバー・ミュラーは電話で語っています。「もちろん、たった3つだから、まだ統計的ではないと言うことはできます。しかし、良いデータが得られるたびに発見されることを示していますので、普遍的なものである可能性があります。」
ノアム・リベスキンドらは2015年の研究で、宇宙の網目状のフィラメントがこれらの組織化された銀河を導いているのではないかと示唆しているが、このプロセスはΛCDMモデルと一致する可能性がある。しかし、結局のところ、このジレンマに対する決定的な答えはまだない。
ノアム・リベスキンドは、「科学の素晴らしいところは、何千ものデータを使ってモデルを作ることができますが、一つでも当てはまらないものがあると、それがひび割れを起こしてしまうことです。」「その亀裂を塞がなければ、家全体が崩壊してしまうのです。」
証明の難しさで、すべての論証に当てはまる。
次世代の銀河研究のために
この歯がゆい不確実性は、AIPのシュワルツシルトフェローであり、2018年のScience誌の研究の共著者であるマーシャル・パウォルスキー(Marcel Pawlowski)のような天文学者を動かし、この問題を研究の焦点としている。
マーシャル・パウォルスキーは、他の大きな銀河が、等方的または組織的なパターンの衛星銀河に囲まれているかどうかを示すことができる、次世代の30mクラスの巨大な天文台のデータに期待している。
「今、私たちがすべきことは、より遠くの衛星システムまで探査を広げ、衛星銀河を見つけ、その速度を測定することです。」とマーシャル・パウォルスキーは電話で語っています。
「この分野が本当に発展したのは、文献上でこのような議論が行われていたからです」とマーシャル・パウォルスキーは付け加えた。「観測的な証拠がどんどん強固になっていくのを見るのはとても良いことです。」
我々の銀河系内にある矮小銀河の奇妙な動きも、数百光年から数十億光年の距離にある銀河の不気味な配列も、銀河のダンスのような動きが宇宙の大規模構造を解明するための重要な鍵であることは明らかである。
私たちが美しいディープフィールド撮影で静止している銀河は、実は宇宙を支える宇宙の網の目のような、まだよくわかっていない多くの複雑な力に導かれている。
オリバー・ミュラーは、「私がこの研究で気に入っているのは、私たちがまだ開拓者の段階にあるということです。」「これはとてもエキサイティングなことです。」と言っている。
今回お公開された画像は、神経系の連鎖の画像にも似ている。