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スニヤエフ・ゼルドビッチ効果を史上最高解像度で観測に成功
2017年3月17日スニヤエフ・ゼルドビッチ効果を史上最高解像度で観測に成功

アルマ望遠鏡が、地球から48億光年かなたにある銀河団を取り囲む高温ガスを描き出しました。これは、「スニヤエフ・ゼルドビッチ効果」と呼ばれる現象を捉えたもので、アルマ望遠鏡の高い観測性能により、この効果の観測としてはこれまでで最も高い解像度を得ることができました。これにより、銀河団を取り巻くガスの分布や温度を詳しく観測する新たな手法が確立されました。

銀河は星やガスの大集団であり、私たちが住む天の川銀河には太陽のような星がおよそ1000億個含まれていると考えられています。こうした銀河が宇宙にはさらに膨大な数存在しており、そうした銀河の多くは群れを成して宇宙空間に浮かんでいます。こうした銀河の集団を、「銀河団」と呼びます。これまでのX線観測から、銀河団は、大量の高温ガスをまとっていることがわかっています。実はその高温ガスの質量は、銀河団に含まれる銀河の質量を合計したものより数倍も大きいのです。またこの高温ガスは、多数の銀河を重力で引き寄せてまとめる役割を果たしている「暗黒物質」の分布を調べる手がかりにもなります。

東邦大学の北山哲教授をはじめとする研究チームは、こうした銀河団を取り囲む高温ガスの研究を行うために、アルマ望遠鏡による観測に挑みました。アルマ望遠鏡が観測できる電波は、高温ガスからは発せられていませんが、高温ガスが引き起こす特殊な現象「スニヤエフ・ゼルドビッチ効果」を観測することで、高温ガスのようすを調べることができるのです [1]

今回の観測対象となったのは、地球から48億光年の距離にある銀河団RX J1347.5-1145です。この銀河団はスニヤエフ・ゼルドビッチ効果が比較的強いため、これまでさまざまな電波望遠鏡で観測されてきました。特に、2000年に国立天文台野辺山宇宙電波観測所の45m電波望遠鏡で行われた観測では、高温ガスの分布にムラが発見され、従来のX線観測に基づいて想定されていた滑らかな分布とは異なることが示唆されました。こうした分布を詳しく知るためには、より高い解像度での観測が必要になります。しかし、銀河団をのっぺりとおおっている高温ガスは、解像度の高い電波干渉計では観測しにくい対象の一つでした。

こうした従来の電波干渉計の弱点を克服するために開発されたのが、アルマ望遠鏡計画の中で日本が担当したアタカマ・コンパクト・アレイ(愛称「モリタアレイ」)です。モリタアレイでは、アンテナの口径を小さくし、アンテナを密集して設置することによって実効的に広い視野を実現することができます。これにより、のっぺりと広がる天体の分布も正確に観測することができるのです。

研究チームはアルマ望遠鏡を使って銀河団RX J1347.5-1145を観測することで、これまでよりもおよそ2倍高い解像度と10倍高い実質感度で、スニヤエフ・ゼルドビッチ効果の観測に成功しました。その結果、これまでの観測を強く裏づけるガス分布が得られただけでなく、高温ガスの圧力分布がこれまでよりも高い解像度と感度で描き出され、この銀河団が激しい衝突を起こしていることが確実となりました。この成果は、アルマ望遠鏡が、滑らかに広がった微かなスニヤエフ・ゼルドビッチ効果の観測にも高い能力を発揮することを証明するものとなりました。

チームを率いる北山氏は「スニヤエフ・ゼルドビッチ効果の存在が初めて提唱されてから50年近く経ちますが、非常に微弱な現象であるため、高解像度の観測を実現するのはまさに至難の業でした。今回、アルマ望遠鏡によってその壁がついに破られ、宇宙の進化を探るための新たな道が切り拓かれたことを大変嬉しく思います。」と語っています。

[1] スニヤエフ・ゼルドビッチ効果
地球には、ビッグバンの名残とされる電波「宇宙マイクロ波背景放射(Cosmic Microwave Background: CMB)」があらゆる方向からやってきています。銀河団を取り巻く高温ガスをCMBの電波が通り抜けるとき、高温ガスに含まれる電子と電波が衝突し、電子の持っていたエネルギーの一部が電波に渡されます。その結果、高温ガスを通り抜けた電波はもともとのCMBの電波よりも高いエネルギーに偏ることになります。これを地球から観測すると、高温ガスのある方向では、他の方向に比べてCMBの電波が弱くなる現象が起きます。これを、提唱者の名前を取ってスニヤエフ・ゼルドビッチ効果と呼びます。

論文・研究チーム

この研究成果は、Kitayama et al. "The Sunyaev-Zel'dovich effect at 5″: RX J1347.5-1145 imaged by ALMA" として、2016年10月発行の天文学専門誌『日本天文学会欧文報告』に掲載されました。

この研究を行った研究チームのメンバーは、以下の通りです。
北山哲(東邦大学)、上田周太朗(宇宙航空研究開発機構)、高桑繁久(鹿児島大学/中央研究院天文及天文物理研究所)、堤貴弘(米国立電波天文台)、小松英一郎(マックスプランク天体物理学研究所/東京大学カブリ数物連携宇宙研究機構)、赤堀卓也(鹿児島大学)、伊王野大介(国立天文台/総合研究大学院大学)、泉拓磨(東京大学)、川邊良平(国立天文台/総合研究大学院大学/東京大学)、河野孝太郎(東京大学)、松尾宏(国立天文台/総合研究大学院大学)、太田直美(奈良女子大学)、須藤靖(東京大学)、滝沢元和(山形大学)、吉川耕司(筑波大学)

【画像】 アルマ望遠鏡とハッブル宇宙望遠鏡で観測した銀河団RX J1347.5-1145。アルマ望遠鏡によるスニヤエフ・ゼルドビッチ効果の分布を青色で示しています。銀河団の中心に近いほどスニヤエフ・ゼルドビッチ効果が大きく、電波が弱くなっていることがわかります。
Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Kitayama et al., NASA/ESA Hubble Space Telescope


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