著者が独自に解釈：中国の天眼が捉えた「雲」はどれほど重要なのか？

今年10月、中国科学院国立天文台は「中国天眼」500メートル口径球面電波望遠鏡（FAST）を使用して、宇宙で知られている最大の原子ガス構造を検出した。この研究結果は、2022年10月19日北京時間23時に国際学術誌「ネイチャー」に掲載された[1]。メディアの報道では「宇宙にはこのような大規模な低密度原子ガス構造がさらに存在する可能性があることを示している」と強調されているが、この研究の重要性を説明するにはこれでは到底不十分だ。

この目的のため、中国科学普及協会は、論文の第二著者である程成氏を特別に招待し、論文の執筆と独占的かつ詳細な解釈の提供を依頼した。

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天文学者たちは何をしましたか?

簡単に言えば、この成果は、私たちの研究チームが FAST を使用して雲、それも非常に大きな雲を観測したことを意味します。この「雲」は直径約200万光年の中性水素ガス構造で、私たちの天の川銀河の20倍以上の大きさです。

左上から時計回りに：NGC7320、NGC7319、NGC7318（a と b）、NGC7317。画像出典: esahubble.org

大きな発見だが、それがこの発見がこれほど興奮する主な理由ではない。天文学界にとってさらに興味深いのは、この「雲」の発見が、私たち人類が非常に重要な銀河群の銀河合体の歴史をさらに理解するのに役立つだろうということです。

この銀河団は「ステファンの五つ子」と呼ばれています。 1877年にフランスの天文学者エドゥアール・ステファンが80センチメートルの望遠鏡を使って発見しました。これは、5 つの明るい銀河といくつかの近くの矮小銀河からなるコンパクトな銀河団です。名前の「クインティ」は、最初に観測された 5 つの明るい銀河を指します。しかし、その後の観測により、5つの明るい銀河のうちNGC7320は前景銀河であり、ステファンの五つ子の銀河団は実際には主に4つの明るい銀河、NGC7319、NGC7318b、NGC7318a、NGC7317で構成されていることが判明しました。

このうち、NGC7318bは、銀河団内の他の銀河との衝突によって生み出され、約1000km/sの速度で既存の銀河間物質に衝突している。つまり、ステファンの五つ子では複雑な銀河相互作用があり、それによって引き起こされる大規模な衝撃波、銀河間媒体での星形成、長い潮汐尾での星形成、活動銀河核からの流出などの一連の観測現象が起きているのです。

ステファンの五つ子銀河の相互作用は非常に活発であるため、発見以来最も注目されている銀河群となっています。これは、銀河の衝突、合体、銀河間物質、潮汐などのプロセスを研究するための重要なサンプルです。

銀河団の研究において、これらの銀河の相互作用の歴史、つまり銀河の合体の歴史は非常に重要な問題です。しかし、ステファンの五つ子間の相互作用は比較的複雑であるため、異なる研究グループによる数値シミュレーション結果はまったく同じではなく、既存の観測結果をすべて説明できるものはありません。

したがって、FAST の助けを借りてスティーブン五重項領域における中性水素の分布を観測することは非常に重要です。中性水素は最も軽い原子であり、最も一般的なバリオン物質です。銀河合体の初期段階では、銀河団の周辺部まで剥ぎ取られる可能性がある。銀河団内の中性水素の分布、特に銀河団の外側領域に拡散した中性水素の観測データを理解することは、既存の合体履歴モデルを制限するのに非常に役立つでしょう。

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FASTはわずか22.4時間で観測を完了した

ステファンの五つ子の領域は、アレシボ望遠鏡、グリーンコースト望遠鏡、超大型干渉電波望遠鏡を用いた電波望遠鏡によって4回観測されています。これらの観測では、銀河団の中心部の約70平方分の範囲にあるいくつかの巨大銀河の近くの水素原子の分布のみが検出された。観測データは主に銀河団内の中性水素放射を研究するために使用され、より広範囲の中性水素放射を検出できるほど感度が高かったわけではありません。

私たちの研究グループは、FASTに観測時間を申請して獲得し、銀河団の外側の領域と銀河団付近のいくつかの矮小銀河をカバーするのに十分な、ステファン五つ子方向の約700平方分角の領域で中性水素観測を実施しました。

FAST の高感度かつ単一開口の電波望遠鏡は、この拡散した中性水素ガスを検出するのに最適です。 FAST の 19 ビーム受信機は空の広い範囲をカバーし、1 回の観測で 19 か所からデータを取得できます。そのため、FAST は、この領域の空の中性水素放射線を非常に高い観測効率と感度で検出することができ、このテーマに非常に適した望遠鏡となっています。

2021年秋、私たちはこの天空の領域304地点の電波観測をわずか22.4時間で完了し、この巨大で薄い水素原子ガスの雲を検出することに成功しました。

有名なコンパクト銀河団「スティーブンの五つ子」の周囲の空域で FAST によって検出された原子ガスの分布 (赤いハローで表示。ハローが薄いほど、ガス柱の密度が低くなります)。写真の背景は、カナダ・フランス・ハワイ望遠鏡で観測された U、G、R の光学バンドデータから合成された疑似カラー画像です。画像の中央にステファン五重奏曲が配置されています。挿入画像は、ウェッブ宇宙望遠鏡から最近公開されたカラー赤外線画像です。ステファンの五つ子は、ウェッブ宇宙望遠鏡によって観測され、初めて一般公開された最初の 5 つのターゲットの 1 つであり、その重要性を示しています (画像提供: NASA、ESA、CSA、STScI)。

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「大規模」の裏側

これらの問題はより重要である

私たちが観測した「雲」は非常に薄く、このような薄い中性水素は宇宙の紫外線背景放射によってイオン化される可能性が高いため、この拡散した中性水素構造が長期間存在することは困難です。したがって、理論的な観点からは、私たちが観測したこのガスがどのように生成されたのか、ステファンの五つ子とどのような関係があるのか​​、これらのガスは将来どのように進化するのか、そして銀河団が形成されるときに同様の原子ガス構造が頻繁に生成されるかどうかは、すべて慎重に議論する価値のある問題です。

観測の観点からは、大規模な中性水素ガス系がいくつ存在するか、それらはコンパクトな銀河団の近くに現れる可能性が高いか、他の天体系の近くに現れるかどうかなど、FAST の超高感度と観測効率を利用してさらに研究できるトピックはすべてあります。私たちは、さらに類似した現象を検出することを期待して、同様の感度でいくつかの近隣銀河を観測しようとしています。

私たちの論文のヨーロッパの協力者を例に挙げてみましょう。彼らは、ステファン五重奏の数値シミュレーションにおいて豊富な経験を持っています。しかし、これまでの数値シミュレーションでは、原子ガスやガスのイオン化および再結合のプロセスが考慮されていませんでした。そのため、ヨーロッパのチームは現在、この新しい観測データと組み合わせた数値シミュレーションの観点から、これらの銀河の合体の歴史を復元するために懸命に取り組んでいます。

同時に、私たちのチームの既存の中性水素データでは、この銀河団の近くにあるいくつかの矮小銀河からの中性水素放射も検出されています。 2021年末には、麗江2.4メートル光学望遠鏡を使用して、銀河団から約80万光年離れた銀河のスペクトル赤方偏移の検証にも成功しました。過去と現在の研究を組み合わせることで、Nature に掲載された論文で中性水素構造の起源について議論することが可能になりました。

今年、私たちは麗江2.4m光学望遠鏡でスペクトル観測時間を申請しました。私たちは、矮小銀河の光学観測データと電波観測データを組み合わせることで、銀河団付近の衛星銀河の星形成史を制限し、銀河団の進化における矮小銀河の役割を理解したいと考えています。

結局のところ、Nature に研究結果を発表するのはほんの始まりに過ぎません。将来、 「この雲」は、宇宙の天体の起源などのテーマについて、より深い研究や思考を行うきっかけとなるかもしれません。 FAST の高感度により、宇宙のより拡散した中性水素放射線を探索するためのより広い視野も得られます。一緒に楽しみにしていきましょう。

参考文献:

[1] Xu, CK, Cheng, C., Appleton, PN 他ステファンの五つ子に関連する 0.6 Mpc HI 構造。ネイチャー610、461–466（2022）。 https://doi.org/10.1038/s41586-022-05206-x

著者: チェン・チェン、中国科学院南米天文研究センター准研究員

レビュー｜中国科学院上海天文台研究員 韓文彪

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