134億年前の銀河は「ぶどうの房」だった

編集・制作：未知なる宇宙科学 ARCHIVES 編集部

134億年前の銀河は「ぶどうの房」状だった——JWSTとALMAが示す初期宇宙の姿

現在の銀河と、初期宇宙の銀河は大きく異なる可能性がある

夜空で観測できる銀河の多くは、滑らかに渦を巻く円盤状や、整然とした楕円状をしています。天の川銀河も同様です。しかし近年の観測は、宇宙誕生からわずか4億年ほどしか経っていない時代の銀河が、そうした整った形をしていなかった可能性を示しています。

そこで見つかったのは、個々に輝く星の塊がいくつも密集した、いわばぶどうの房のような構造でした。この発見は、銀河がどのように形成・成長するかについて、これまでの理論が再検討を迫られていることを意味します。

初期銀河の観測が難しかった理由

銀河の誕生と成長は、天文学における基本的な問いのひとつです。しかし長い間、初期宇宙の銀河を詳しく観測することは技術的に困難でした。

遠い天体を観測することは、過去を見ることに等しいといわれます。光が地球に届くまでに膨大な時間がかかるためです。134億光年彼方の銀河から届く光は、134億年前に放たれたものです。

さらに、宇宙の膨張によって遠方の天体から届く光は波長が引き伸ばされ、赤外線側にずれます（これを赤方偏移といいます）。初期宇宙の銀河はもともと暗く遠いうえ、可視光では観測できないため、20世紀の望遠鏡では内部構造まで捉えることができませんでした。

従来の銀河形成理論：「階層的構造形成」

観測が追いつかない時代、理論物理学者たちはシミュレーションに基づいたシナリオを構築していました。

ビッグバン直後の宇宙には、わずかな密度のムラが存在しました。物質の濃い領域に重力で周囲が引き寄せられ、小さなガスの塊が形成される。それらが衝突・合体を繰り返しながら、長い時間をかけて徐々に大きく成長していく——これが「階層的構造形成」と呼ばれるモデルです。銀河は穏やかに、時間をかけて育つという考え方が主流でした。

JWSTとALMAによる観測で浮かび上がった構造

二つの観測装置の役割

状況が大きく変わったのは、2021年末に打ち上げられたジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）の登場以降です。直径6.5メートルの主鏡を持ち赤外線観測に特化したこの望遠鏡は、赤方偏移した初期銀河の光を捉えられるようになりました。

並行して、チリ標高5,000メートルの高地に設置されたアルマ望遠鏡（ALMA）も活用されました。66台の電波アンテナを連携させ、単一の巨大望遠鏡として機能するALMAは、ガスや塵の分布など、光では見えにくい成分を観測します。

この二つの装置を組み合わせて、赤方偏移z≈9前後、宇宙年齢4〜5億年ごろの銀河を観測したところ、回転する円盤の中に15個以上のコンパクトで高密度な星団（クランプ）が密集している構造が確認されました。

重力レンズ効果による拡大

これほど遠い銀河の内部構造が観測できた背景には、重力レンズ効果の活用があります。アインシュタインの一般相対性理論が予測するように、大きな質量は周囲の空間を歪め、背後を通る光を曲げます。手前にある銀河団が天然の拡大鏡として機能し、遠方の銀河の像を拡大して見せてくれるのです。

研究者たちはレンズによる歪みを精密に計算・補正し、銀河本来の姿を復元しました。その画像に現れたのが、前述の房状の構造でした。

各星団の特徴：小さな領域に大量の星

個々の星団の大きさは数十から100光年程度と小さいにもかかわらず、それぞれが太陽の数百万から1千万倍にのぼる質量の星を含んでいたとされます。現在の天の川銀河で見られる、星が比較的ゆったりと分布する領域とは対照的な密度です。

また、これらの星団では爆発的な星形成（スターバースト）が起きていたとされます。初期宇宙はガスが現在よりも豊富で密度も高く、星の材料が急速に星へと転化しやすい環境だったと考えられています。

「速すぎる成熟」が突きつける問い

この観測が注目を集める理由のひとつは、構造形成の速さにあります。

従来の理論では、これほど大量の星と高密度の構造が形成されるには、より長い時間が必要と考えられていました。しかし宇宙年齢4億年足らずの時点でこうした構造が存在していたことは、現行の標準宇宙モデルに再考を促す観測結果です。

JWSTはこの銀河以外にも、初期宇宙に想定より成熟した銀河を複数発見しており、これらがどこまで普遍的な現象なのかは現在も研究が続いています。

房状構造のその後：仮説と未解明の点

球状星団との関連（仮説）

この密集した星団がその後どうなったかについては、有力な仮説があります。互いの重力で中心部へと落ち込み合体することで、やがて滑らかな構造へと落ち着いていくというシナリオです。現在観測されている整った銀河は、こうした房状の初期構造が時間をかけて落ち着いた結果である可能性があります。

また一説には、これらの超高密度星団が現在の銀河周囲に存在する球状星団（数十万個の星が球状に集まった古い天体）の祖先ではないかとも考えられています。ただし、これはあくまでも仮説の段階です。

まだ解明されていないこと

この発見は多くの問いを残しています。なぜこれほど早期に高密度の星団が形成できたのか。ダークマターの分布はどのように関与しているのか。房状構造が銀河ごとにどう異なるのか。

今回の観測が初期銀河の普遍的な姿を示すのか、それとも特殊なケースなのかを判断するには、さらなるサンプルの蓄積が必要とされています。JWSTの本格的な科学観測はまだ日が浅く、この問いに対する答えは現在進行形で模索されています。

まとめ：わかってきたことと、残る謎

今回の観測で確認されたのは、宇宙年齢4億年ごろの銀河に15個以上の高密度星団が密集した房状の構造が存在するということです。各星団では爆発的な星形成が起きており、従来の銀河形成モデルが描いていた「穏やかな成長」とは異なる初期の姿が示されました。

一方で、なぜそれほど急速に構造が形成されたのか、この構造が普遍的なものかどうか、現在の銀河や球状星団との関係はどうなっているのかについては、依然として研究の途上にあります。

JWSTとALMAが組み合わさることで、それまで観測できなかった初期宇宙の内部構造が見えてきました。今後さらにサンプルが蓄積されることで、銀河形成の理解はより精密になっていくと考えられています。