星形成の運命を決めた天の川銀河の棒構造

【2022年9月16日 国立天文台CfCA】

私たちが住む天の川銀河は、中心部の星々が細長い楕円体状に分布する「棒状構造」を持った棒渦巻銀河であることが観測からわかっている。この棒状構造は、天の川銀河の広い範囲で星やガスの運動に影響を与えているはずだ。

天の川銀河の構造を極方向から見た図。円盤の中心部に星が細長く集まる「棒状構造」があり、棒の両端付近から渦巻腕が伸びている。棒状構造の中心には「中心核バルジ」と呼ばれる、さらに星が集中する領域がある（提供：国立天文台）

近年、位置天文衛星「ガイア」などによって天の川銀河の一つ一つの星々の位置と運動が精密に観測されるようになり、棒状構造の大きさや回転速度が明らかになってきた。しかし、天の川銀河の歴史の中で棒状構造がいつごろ生まれ、どのような変化を経てきたのかは全くわかっていない。その大きな理由は、棒状構造の“歴史の痕跡”が現在の天の川銀河にどう残されるのかがわからないためだ。

国立天文台の馬場淳一さんたちの国際研究チームは、国立天文台の天文学専用スーパーコンピューター「アテルイII」を使い、星やガス雲どうしに働く重力だけでなく、星形成や超新星爆発で銀河物質が加熱される効果なども盛り込んだ銀河進化のシミュレーションプログラム「ASURA」を用いて、天の川銀河の3次元重力多体・流体シミュレーションを行った。この計算によって、棒状構造の誕生や進化が銀河の星形成や星の年齢分布にどう影響を与えるのかを調べた。

馬場さんたちのシミュレーションの結果、天の川銀河に棒状構造ができるとすぐに、回転の勢いを失った大量の星間ガスが銀河中心のごく狭い領域に流れ込み、爆発的に新たな星形成が起こることがわかった。また、普通の銀河バルジ（円盤銀河の中心部のふくらみ）よりずっと小さな「中心核バルジ」ができることや、棒状構造の部分ではガスが失われ星形成活動が急激にストップすることも明らかになった。

つまり、棒状構造ができることで、銀河内部の場所ごとに星形成の活発さが違ってくるようなのだ。

さらに、銀河内を公転する星々が棒状構造と周期的に出会うことで軌道が大きく変化する「軌道共鳴」が起こり、銀河円盤から垂直な方向に星が散乱されて、棒状構造の断面が「ピーナッツ形」になることも示された。

「アテルイII」のシミュレーションで得られた天の川銀河の進化。それぞれ、（上）銀河面を円盤方向から見た星の分布、（中）銀河内の星（オレンジ）とガス（黒）の分布、（下）銀河内の星形成の活発さ（赤い部分ほど星形成が活発）を示す。左から右に銀河の年齢ごとの様子を示している。銀河の誕生から約15億年後に棒状構造ができ始めると、中心核バルジの部分にガスが集まり、星形成が活発になる。一方、棒状構造のガスは徐々に失われ、35億年後には棒の部分ではほとんど星が作られなくなる。棒状構造を真横から見ると次第にピーナッツ形になっていく。画像クリックで表示拡大（提供：馬場淳一）

ピーナッツ形の星の分布は実際に天の川銀河の観測で見つかっているが、これまでは星々の速度差が大きいために一種の不安定性が生じて、棒状構造が「へ」の字型に“たわむ”のだと考えられてきた。今回の研究は、棒状構造による軌道共鳴でピーナッツ形分布ができるという新たなメカニズムを示唆するものだ。

もし、天の川銀河に棒構造が生まれることで爆発的星形成が起こる領域と星形成が止まる領域ができるのであれば、星々の年齢構成も銀河内の場所によって違ってくるはずだ。こうした年齢分布の違いを観測で明らかにできれば、天の川銀河に棒構造がいつ形成されたかを推定できるかもしれない。

今回の結果を観測で裏付けるためには、天の川銀河の星々の位置と運動を、より遠距離まで、より精密に知る必要がある。天の川銀河の中心部や銀河面から離れた領域は「ガイア」である程度の観測が可能だが、中心核バルジの領域は星間物質が濃く存在するために可視光線が強く吸収され、見通すことが難しい。こうした領域の星の分布を明らかにするには、星間物質を透過できる赤外線で世界初のアストロメトリー観測を行う日本の位置天文衛星「JASMINE」（2028年打ち上げ予定）が大いに役立つと期待される。

アテルイIIを用いた今回のシミュレーション結果（提供：国立天文台天文シミュレーションプロジェクト）