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プレスリリース

2013年11月22日 アルマ望遠鏡とハッブル宇宙望遠鏡で迫る宇宙初期の巨大天体ヒミコ

アルマ望遠鏡とハッブル宇宙望遠鏡という世界最高性能の望遠鏡を使って、宇宙初期の巨大天体ヒミコの謎に満ちた姿が明らかになりました。きわめて原始的な特徴を持つ3つの天体が、まさに合体してさらに大きな天体を形作ろうとしていたのです。今回の観測結果は、宇宙が星々の光で満たされ始めた「宇宙の夜明け」と呼ばれる時代において、銀河が作られる最初の過程を明らかにする上で重要な知見を与えました。


ヒミコは2009年にすばる望遠鏡で初めて発見された天体で、宇宙が8億歳(現在の宇宙年齢のわずか6%)だった時代に存在した巨大な熱いガスのかたまりです。日本のすばる望遠鏡の観測天域にあって、ひときわ明るく輝く古代の天体であることから、邪馬台国の女王卑弥呼の名がつけられています。ヒミコの大きさは55,000光年におよび、同時期に存在した一般的な天体に比べて約10倍と極めて大きいです。またスピッツァー宇宙望遠鏡による赤外線観測から、太陽の数百億倍という大きな星質量をもつことも明らかにされました。これらの特徴から、ヒミコは宇宙初期に銀河がまさに形づくられる段階にある、きわめて特徴的な天体として注目を集めてきました。一方で、これほど巨大なガス雲を高温で輝かせるそのエネルギー源については謎のままでした。

東京大学宇宙線研究所の大内正己准教授が率いる日米の国際研究チームは、宇宙初期に存在する巨大な天体「ヒミコ」をアルマ望遠鏡とハッブル宇宙望遠鏡で観測しました。アルマ望遠鏡とハッブル宇宙望遠鏡は、それぞれ電波と近赤外線の観測において極めて高い性能を有しています。「我々はヒミコに対して、普通では行えないほどの超高感度観測を行って、その深部の構造に迫りました。この観測により、今まで謎だったヒミコの全体像を明かすことに成功しました。しかし、同時に予期せぬ結果も出てきたのです。」と大内氏は語ります。

ハッブル宇宙望遠鏡の観測画像(図1)には、2万光年を越えて一直線に並んだ3つの星の集団が写っています。ひとつひとつの集団は、ヒミコと同じ時代の典型的な銀河と同じくらいの明るさで、巨大な水素ガス雲がこれら3つの星の集団を包み込んでいます。際立って明るい光源がないことから、ヒミコのエネルギー源が超大質量ブラックホールではないことが分かりました。またハッブル宇宙望遠鏡とスピッツァー宇宙望遠鏡の観測から、その活発な星の形成の様子も明らかになりました。研究チームのメンバーで、ハーバード・スミソニアン天体物理学センターのマシュー・アシュビー博士は「ヒミコの中で、1年に太陽質量の約100倍におよぶガスが星に変わっていることが明らかになりました。おそらく、この激しい星形成活動が巨大で熱いヒミコを覆うガスを温め続けているのでしょう。」とその観測成果を説明しています。

一方で、アルマ望遠鏡を用いたヒミコの観測では、活発に星が作られている「爆発的星形成銀河」に見られる固体微粒子が発する電波、さらには星形成活動度の指標となる炭素原子ガスが出す電波のいずれもが、まったく検出されませんでした。同程度の星形成活動度を持つ他の銀河と比べて、ヒミコが放つ電波は30倍以上も弱かったのです。既存の電波望遠鏡に比べて圧倒的に高い感度を持つアルマ望遠鏡を持ってしてもこれらの電波が検出されなかったことは、ヒミコがこれまでに知られている爆発的星形成銀河とは大きく異なる性質を持っていることを示しています。

宇宙の始まりであるビッグバンでは、水素やヘリウムといった軽い元素が合成されました。ビッグバンのあとで星が誕生し、この星の中での核融合反応によって水素やヘリウムが炭素や酸素といったより重い元素に変換されていきます。そして星がその一生を終える際にこれら重元素は宇宙にばらまかれ、周囲のガスの重元素の比率が上がっていきます。アルマ望遠鏡で、重元素からなる固体微粒子が放つ電波、および炭素原子が放つ電波が全く検出されなかったということから、ヒミコにはこれら重元素が僅かしかないと考えられます。このため、ヒミコはビッグバンで作られた水素やヘリウムなど原始的なガスを主体とする天体である可能性が高いのです。大内氏は、「もしヒミコが重元素をほとんど含まない天体であればこれは画期的な発見で、ヒミコはまさに形成中の原始銀河なのかもしれません。」と語っています。

研究チームの一員であるカリフォルニア工科大学のリチャード・エリス教授は「天文学者は天体からの光や電波などのシグナルを捉えた時に興奮するのが普通です。しかし、今回の場合はこれとは逆なのです。重元素が放つはずのシグナルがヒミコに見られなかった、という結果に私たち天文学者はゾクゾクと興奮しているのです!」とその驚きを表現しています。

図1

図1.可視光・赤外線で観測された巨大天体ヒミコ。左の画像はハッブル宇宙望遠鏡で撮影されたもので、中央の四角の中にヒミコが写しだされています。右上はその拡大画像で、紫色から青色をした3つの星の集団が左右に並んでいます。最も左側の星の集団は極めて青く、この色は原始ガスからなる星々の色と似ています。右下はすばる望遠鏡(青)、ハッブル宇宙望遠鏡(緑)、スピッツァー宇宙望遠鏡(赤)で観測されたヒミコのカラー画像。赤色は熱く輝く水素ガス雲で、55,000光年にも広がっています。
Credit: NASA/ESA/NAOJ/東京大学(大内正己)
新しいウィンドウで開く 図1の高解像度版 (JPEG/ 382KB)

図2

図2. 今回の観測をもとに描いた、巨大天体ヒミコの想像図。原始的なガスが渦巻く中で、3つの星の集団が作られています。
Credit: 国立天文台
新しいウィンドウで開く 図2の高解像度版 (JPEG/ 4.9 MB)

論文・研究チーム

今回の研究は、Ouchi et al. "An Intensely Star-Forming Galaxy at z~7 with Low Dust and Metal Content Revealed by Deep ALMA and HST Observations" として、2013年12月1日発行の天文学専門誌「アストロフィジカル・ジャーナル」に掲載されます。

研究チームのメンバーは以下の通りです。
大内正己(東京大学)、Richard Ellis(California Institute of Technology)、小野宜昭(東京大学)、中西康一郎(国立天文台/合同アルマ観測所/総合研究大学院大学)、河野孝太郎(東京大学)、百瀬莉恵子(東京大学)、黒野泰隆(合同アルマ観測所)、M. L. N. Ashby (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)、嶋作一大(東京大学)、S. P. Willner(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)、G. G. Fazio(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)、田村陽一(東京大学)、伊王野大介(国立天文台)

この研究は宇宙望遠鏡科学研究所(STScI)の研究資金を通してアメリカ航空宇宙局(NASA)から資金援助を受けています。STScIはNASAの協定NAS 5-26555の下、天文学研究大学連合により運営されています。本研究に参加した研究者の一部は、文部科学省の世界トップレベル研究拠点事業(WPIプログラム)と日本学術振興会の科学研究費基盤A(23244025)からの援助を受けています。この研究はADS/JAO.ALMA#2011.0.00115.Sのアルマ望遠鏡のデータを使用しています。この研究はスピッツアー宇宙望遠鏡の観測データを用いています。スピッツァー宇宙望遠鏡はNASAとの協定の下、カリフォルニア工科大学のジェット推進研究所(JPL)により運用されています。本研究には、カリフォルニア工科大学JPLを通じてNASAが提供した研究資金が用いられています。

アルマ望遠鏡

アルマ望遠鏡山頂施設 (AOS)空撮
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アルマ望遠鏡山頂施設 (AOS)空撮
Credit: Clem & Adri Bacri-Normier (wingsforscience.com)/ESO
アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計(ALMA)は、ヨーロッパ、東アジア、北米がチリ共和国と協力して建設する国際天文施設である。ALMAの建設費は、ヨーロッパではヨーロッパ南天天文台(ESO)によって、東アジアでは日本自然科学研究機構(NINS)およびその協力機関である台湾中央研究院(AS)によって、北米では米国国立科学財団(NSF)ならびにその協力機関であるカナダ国家研究会議(NRC)および台湾行政院国家科学委員会(NSC)によって分担される。ALMAの建設と運用は、ヨーロッパを代表するESO、東アジアを代表する日本国立天文台(NAOJ)、北米を代表する米国国立電波天文台(NRAO)が実施する(NRAOは米国北東部大学連合(AUI)によって管理される)。合同ALMA観測所(JAO)は、ALMAの建設、試験観測、運用の統一的な執行および管理を行なうことを目的とする。

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