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重力レンズ効果で「1個なのに12個見える」ドッペルゲンガー銀河!

右上と左下に見える4つの弧の中にサンバースト・アーク銀河が12個写っている。/Credits: NASA, ESA and E. Rivera-Thorsen (Institute of Theoretical Astrophysics Oslo, Norway)
point
  • 110億光年離れた銀河「サンバースト・アーク」は重力レンズ効果によって、同時に12個も見ることができる
  • これは両者のほぼ中間にある巨大銀河団の重力の影響によるもの
  • この銀河は謎の多い初期宇宙の「再イオン化時代」以前に生まれたと考えられ、古代宇宙の貴重な情報源となる

画像はハッブル宇宙望遠鏡により撮影された「サンバースト・アーク」と呼ばれる銀河の画像です。

どれが? と戸惑ってしまいますが、実は画像の右上と左下に写る点線のように見える4つの弧がそれにあたります。右上に3つの弧が写っていて、左下の弧は天の川銀河の明るい天体に半分隠れてしまっています。

サンバースト・アーク銀河は110億光年も離れた場所にある小規模な銀河ですが、46億光年離れた距離にある巨大銀河団の重力によって光が歪み、4つに別れた弧の中に写っているのです

しかも該当の銀河はこの弧の中に12個も同時に見えているのです。

なんともすごい重力の効果。しかもこの銀河は、重力レンズの集光効果がなければ本来は見えない銀河なのだそうです。

この観測に関する論文は、ノルウェー・オスロ大学の研究者を筆頭とした天文学の国際研究チームにより発表され、11月8日付けで科学誌『Science』に掲載されています。

Gravitational lensing reveals ionizing ultraviolet photons escaping from a distant galaxy
https://science.sciencemag.org/content/366/6466/738

分裂した遠方銀河

弧の1つの拡大。ここには銀河6つ写っている。/Credit:ESA/Hubble, NASA, Rivera-Thorsen et al.

サンバースト・アーク銀河は110億光年も離れている上、そのサイズは直径520光年というとても小規模な銀河です。

私たちの属する天の川銀河の直径が10万光年以上あることを考えると、これは非常に小さい構造体と言えます。

そのため、本来なら地球から観測することは難しい天体です。しかし、幸運にもこの銀河と地球の間には巨大銀河団が存在しており、その重力によってサンバースト・アーク銀河の光を大きく歪めると同時に集光してくれたため、その姿をハッブル宇宙望遠鏡で観測することができるのです。

上の画像は画像に写る弧の1つを拡大したものです。ここにはサンバースト・アーク銀河が6つも写っているといいます。

重力レンズ効果は私たちが虫眼鏡や望遠鏡を使った場合と同様のものです。凸レンズを通したときの様に、光の経路を曲げて集光します。

重力レンズ効果。/Credit:NASA/hubblesite

これが何万光年もある宇宙規模で起きるため、非常に遠方の僅かな天体の光さえ集めて巨大な望遠鏡として機能するのです。

下の動画はESA(欧州宇宙機関)が作成した重力レンズ効果のイメージをアニメーションにしたものです。この動画を見ると、今回の銀河がなぜ複数の弧に歪んで写るのかがよくわかります。

重力レンズ効果のアニメーションイメージ。/Credit:HubbleESA/Animation of gravitational lensing (artist’s impression)

宇宙再イオン化時代を知る貴重な資料

宇宙はビッグバン直後は高温のため陽子と電子がバラバラのイオン化した状態となっていました。宇宙が40万年ほどかけて冷えると陽子と電子が結びつて、電気的に中性の水素原子になったと考えられています。このとき宇宙には天体はまだ存在せず、暗黒時代という呼ばれ方をしています。

その後、宇宙で最初に生まれた天体が強烈な紫外線を放ち、水素を再びイオン化します。ビッグバンから10億年後には、ほとんどの水素がイオン化したと考えられ、現在も宇宙はその状態を保っています。

この現象を天文学では「宇宙再イオン化」と呼んでいます。

宇宙の誕生から再イオン化の時代。/© Subaru Telescope, NAOJ

では、この宇宙の暗黒時代を終わらせ宇宙に満ちる水素のほとんどをイオン化した最初の天体とはなんだったのでしょうか? そしてどのようにして星間物質に吸収されることなく、高エネルギーの光子を深宇宙まで放ったのでしょうか?

宇宙再イオン化の多くは謎に包まれています。

遠方の銀河は、そんな宇宙初期の姿を知るための貴重な情報源となります。

ハッブル宇宙望遠鏡の観測によれば、サンバースト・アーク銀河はビッグバンのわずか1億5000万年後には存在していたと考えられるそうです。それは、数少ない「再イオン化時代」を伝える生き残りの1つであることを意味しています。しかもこの銀河は重力レンズ効果によって、こうした遠方銀河の中でももっとも明るい銀河として観測することができるのです。

こうした意味で、この薄く引き伸ばされてしまった銀河はとても貴重な観測対象となっています。

サンバースト・アーク銀河の観測によると、一部の強烈なイオン化光は厚い銀河のガスから脱出していることが確認できたと言います。これは星形成領域がコンパクトにまとまっていることも影響しているかもしれません。

この情報だけで宇宙の再イオン化の謎を解明することは難しいですが、宇宙初期に何が起こっていたかを知るための観測による最初の手がかりを提供していることは確かです。

宇宙の巨大な天然の望遠鏡「重力レンズ」が宇宙誕生から現在へ繋がる宇宙進化の謎を解き明かしてくれるかもしれません。

reference:phys,NASA,NAOJ/ written by KAIN