アンドロメダ銀河の中心にある奇妙な形は重力の影響を受けているかもしれない

アンドロメダ銀河の中心にある奇妙な形は重力の影響を受けているかもしれない 天文・宇宙
NASAの広視野赤外線探査機(WISE)が見たアンドロメダ銀河。©NASA/JPL-Caltech/UCLA

2つの銀河が衝突すると、その中心にある超巨大ブラックホールは、ショットガンの反動のような破壊的な重力の「キック」を発します。

コロラド大学ボルダー校の研究チームは、この重力の強さが、何百万もの星の軌道を狂わせるほど強力である可能性を示唆しています。

この研究は、2021年10月29日にThe Astrophysical Journal Letters誌に掲載され、アンドロメダ銀河の中心部にある奇妙な形をした星団にまつわる数十年来の謎を解明しました。

また、銀河がお互いに摂食し合って成長していく過程の解明にもつながるかもしれません。

「最初にアンドロメダを見たとき、科学者たちは、超巨大ブラックホールが比較的対称的な星の集まりに囲まれていると予想していました。それどころか、巨大で細長い塊が見つかったのです。」と、コロラド大学ボルダー校と米国国立標準技術研究所(NIST)の共同研究機関であるJILAの研究員、Ann-Marie Madigan氏は言います。

現在、彼女とその同僚は、その理由がわかったと考えています。

1970年代、科学者たちは地球の大気中に気球を打ち上げ、天の川銀河に最も近い銀河であるアンドロメダを紫外光で詳しく観察しました。

そして1990年代にハッブル宇宙望遠鏡による観測が行われ、驚くべき結果が得られました。

しかし、その渦巻きの中心付近にある星の多い場所は、奇妙な楕円形をしているのです。

その理由は誰にもわからなかったと、宇宙物理学の助教授であるMadigan氏は言います。

科学者たちは、このパターンを『Eccentric Nuclear Disk(偏心核円盤)』と呼んでいます。

今回の研究では、2つの超巨大ブラックホールが衝突したときに何が起こるかをコンピューターシミュレーションで追跡しました。

研究チームの計算によると、このような合体によって発生する力は、銀河の中心付近にある星の軌道を曲げたり引っ張ったりして、あの特徴的な細長い模様を作り出すことができると考えられます。

本研究の筆頭著者であり、宇宙物理学を専攻する大学院生のTatsuya Akiba氏は、「銀河が合体すると、その超巨大ブラックホールも一緒になり、最終的には1つのブラックホールになります。」と述べています。

「私たちはそれを知りたかったのです。その結果、どのようなことが起こるのかを知りたかったのです。」

空間と時間の歪み

空間と時間の歪み

超巨大ブラックホールの周りを回る星の軌道を、重力による「キック」の前(左)と後(右)に分けて示した図。©Steven Burrows/JILA

さらに、今回の研究成果は、現在宇宙に存在する約2兆個の銀河の多様性の原動力となっている力の一端を明らかにするのに役立ちます。

銀河の中には、渦巻き型の天の川銀河のようによく似たものもあれば、ラグビーボールや不規則な塊のようなものもあります。

このような星の塊の形成には、合体が重要な役割を果たしている可能性があります。

銀河が衝突すると、その中心にあるブラックホールがお互いに回転し始め、どんどん速く移動して、最終的には衝突するのではないかとAkiba氏は言います。

その際、ブラックホールは巨大な「重力波」を放出し、時空間に波紋を広げるのです。

「重力波は、残されたブラックホールから勢いを奪い、銃の反動のようなものが発生します。」

Akiba氏とMadigan氏は、その反動が銀河の中心から1パーセク(約19兆マイル)以内にある星々にどのような影響を与えるかを知りたいと考えました。

地球から肉眼で見ることができるアンドロメダ銀河は、端から端まで何万パーセクもあります。

銀河のリコイル

二人はコンピュータを使って、数百の星を含む銀河中心のモデルを作り、中心のブラックホールを「キック」して、重力波の反動をシミュレートしました。

Madigan氏の説明によると、このような破壊的な衝突によって発生する重力波は、銀河の中の星に直接影響を与えることはないといいます。

しかし、その反動で残った超巨大ブラックホールは、時速数百万マイルにも達するスピードで宇宙空間に投げ出されてしまいます。

地球の太陽の数百万倍、数十億倍の質量を持つ物体としては、悪くない速度です。

「もしあなたが超巨大ブラックホールで、秒速何千キロもの速さで動き始めれば、あなたが住んでいる銀河から実際に逃げ出すことができるのです。」とMadigan氏は言います。

しかし、ブラックホールが脱出しない場合、ブラックホールの周りにある星の軌道を引っ張り、その軌道が伸びてしまう可能性があることを発見しました。

その結果、アンドロメダの中心で科学者たちが見ている形とよく似た形になるのです。

Madigan氏とAkiba氏は、シミュレーションの規模を大きくして、星の数が何倍もある現実の銀河系の核と直接比較できるようにしたいと語っています。

また、今回の発見は、中性子星と呼ばれる謎の天体の周りを回る惑星など、宇宙の他の天体の周りで起こる異常な現象の理解にも役立つかもしれないと述べています。

Madigan氏は、「中心となる天体の周りを周回しているときに、その天体が突然飛び立ってしまうというこのアイデアは、さまざまなシステムを調べるためにスケールダウンすることができます。」と語っています。

Published by University of Colorado at Boulder. Tatsuya Akiba et al, On the Formation of an Eccentric Nuclear Disk following the Gravitational Recoil Kick of a Supermassive Black Hole, The Astrophysical Journal Letters (2021). DOI: 10.3847/2041-8213/ac30d9