ダークマターの塊が天の川銀河を貫通した痕が見つかった

天の川銀河できわめて高速の分子雲が見つかった。この分子雲には巨大なシェル構造や空洞などが付随していて、銀河円盤をダークマターの塊が通過した痕跡とみられる。

【2024年6月10日国立天文台野辺山宇宙電波観測所】

私たちが属している天の川銀河は、直径約10万光年の円盤部と中心のバルジ、それらを取り囲む直径約30万光年のハローで構成されている。円盤部分には主に星と星間ガスがあり、水素分子を主成分とする濃い星間ガス雲は分子雲と呼ばれている。一方、ハローにはダークマター（暗黒物質）が広がっていて、その中を球状星団や矮小銀河、希薄な水素原子雲などのハロー天体が飛び交っている。

天の川銀河のイラストと主な構造。中心部には老齢の星が多く集まったバルジ（Bulge）と呼ばれる膨らんだ構造がある。銀河を取り巻く巨大な球状の構造はハロー（Halo）と呼ばれ、希薄な星間物質や球状星団（Globular clusters）、矮小銀河などが分布している。太陽（Sun）は銀河の円盤部（Disc）にある（提供：ESA - Anatomy of the Milky way、（左）NASA/JPL-Caltech、（右）ESA; layout: ESA/ATG medialab）

ハロー部分のダークマターは一様に分布しているのではなく、様々なハロー天体を取り囲むようにして、ダークマターが特に集中した「暗黒物質サブハロー」がたくさん存在すると考えられている。しかし、初期宇宙でダークマターの密度ゆらぎから銀河や銀河団、大規模構造などが生まれる様子をシミュレーションした結果と実際の観測結果とを比べると、天の川銀河に存在するはずの暗黒物質サブハローの数に比べて、現実の矮小銀河の個数は圧倒的に少ない。この不一致は「ミッシング・サテライト問題」と呼ばれている。

慶應義塾大学の横塚弘樹さんたちの研究チームは、野辺山45m電波望遠鏡で2014年から2017年に実施された天の川の分子雲サーベイプロジェクト「FUGIN」の観測データを使い、天の川銀河の分子雲の中でも特に大きな速度を持つものを探査した。すると、特異な分子雲が見つかった。

この分子雲「CO 16.134-0.553」はたて座の方向約1万3000光年の距離にあり、視線方向の速度が約40km/sという大きな速度幅を持っているが、星団などの対応天体は特に付随していない。穏やかな環境にある普通の分子雲は速度の幅が数km/sだが、それと比べて非常に高速だ。そのため、未知の天体がこの分子雲に運動エネルギーを与えたのではないかと考えられた。

野辺山45m電波望遠鏡でこの分子雲を追観測したところ、CO 16.134-0.553は約15光年×3光年のサイズを持ち、その力学的エネルギーが太陽光度の780倍にも達することや、視線速度が異なる2つの雲がつながったような構造をしていること、過去に強い星間衝撃波を受けた痕跡が残されていることがわかった。

そこで、FUGINサーベイのデータから改めて分子雲の周辺の環境を調べたところ、実はこの分子雲は直径約50光年の膨張する球殻（シェル）構造の一部で、シェルの端にCO 16.134-0.553と似た分子雲が複数存在することが明らかになった。

さらに、中性水素原子が放射する電波（21cm線）で天の川銀河を全天サーベイしたデータを使って広範囲の構造を調べると、この分子雲がある位置に直径約230光年の巨大な原子ガスの空洞が存在し、その下に長さ約900光年×幅約230光年のフィラメントが存在することもわかった。

分子雲の電波強度と速度
（a）分子雲CO 16.134-0.553を一酸化ケイ素分子が放射する電波（87 GHz）で見た図とその視線速度の図。（b）「CO 16.134-0.553」を一酸化炭素分子の電波（115 GHz）で見た図とその視線速度。この分子雲が、より大きなシェル構造の一部であることがわかる。（c）中性水素原子が出す電波（21cm線）で見た、より広範囲の図。bのシェル構造がある辺りは水素原子が少ない空洞になっていて、そこから下方へ長大なフィラメント構造が伸びている（提供：慶應義塾大学、以下同）

これらのシェル・空洞・フィラメントは天の川銀河を上から下に貫くように一直線上に並んでいて、あたかも、かつて銀河ハローから降ってきた何らかの天体が天の川銀河の円盤を高速で通過したように見える。しかし、フィラメントの先端には明るい天体が特に存在しないことから、降ってきた天体は矮小銀河や球状星団になり損ねた「暗黒物質サブハロー」だった可能性が高いと研究チームは考えている。

矮小銀河よりも小さな暗黒物質サブハローは、標準的な宇宙モデル（ΛCDMモデル）に基づいた構造形成のシミュレーションなどで存在が予測されていたが、実際の観測で存在が確認されたのは初めてだ。

銀河円盤への暗黒物質サブハローの突入
（左）今回見つかった構造の成り立ちを描いたイラスト。銀河円盤にダークマターの塊（暗黒物質サブハロー）が高速で突入したことで、空洞・シェル・フィラメントといった構造が作られたと考えられる。（右）天の川に突入した暗黒物質サブハローの想像図