15万ドルの賭けをしてみたいと思ったことはあるだろうか。もし当たれば、宇宙への新たな窓が開く。しかし外れれば、多くの時間とお金を無駄にしてしまう。
これはまさに私のチームが行ったことだ。ハワイのマウナケア観測所にあるケック望遠鏡を、一見何もない空間に向けた。宇宙のあらゆる銀河を包む隠れたガスを明らかにすることを期待して。制御室で歓声が上がったとき、私たちの賭けが当たったことがわかった。
本日『Nature Astronomy』に掲載された研究で、私たちは銀河を取り巻くガスの覆いの初めての詳細な画像を明らかにした。それは「空虚な」空間に10万光年にわたって広がっている。もし私たちの天の川銀河が同様のハローを持っているなら、それはすでに最も近い銀河の隣人であるアンドロメダ銀河のハローと相互作用している可能性が高い。
宇宙の大部分は明るい星ではない
宇宙の物質の大部分は、私たちが目にする銀河の壮観な画像を構成する明るい星の中にはない。まず、銀河はダークマターに囲まれている – 天文学者はこれが一種の奇妙な目に見えない粒子だと考えている。
しかし、通常の物質でさえ、その大部分は星の中にはない。代わりに、銀河を取り巻く巨大なガスの雲の中にある。
これらの銀河を取り巻くハローには、宇宙の通常の物質（主に水素、ヘリウム、炭素、窒素、酸素ガスで構成される）の70〜90%が含まれていると考えられている。
この拡散したガスを理解することは – 私たちが目にするすべての星と惑星がそこから始まったのだが – 最も壮大なスケールで私たち自身の物語をより理解するのに役立つ。
しかし、このガスのハローは広大な空間に広がっているため、極めて薄い。実際、銀河の明るい部分よりも1万から10万倍も薄い。
私たちは1950年代からこれらのガスのハローについて知っていた。天文学者たちが、ハローを通過する特定の周波数の光が吸収されていることを発見したときだ。
しかし、これらの測定は何十万光年にも及ぶ巨大な空間領域を1つの点に還元してしまう – そのため、ハローの正確な大きさや形、あるいはガスがハローとホスト銀河の間をどのように流れているかについてはほとんど知られていなかった。
銀河のハローを見る方法
長い間、ハローの画像を捉えることは不可能だと考えられていた。しかし、それは「イメージスライサー」と呼ばれる新しい種類の分光器 – 画像内のさまざまな波長のスペクトルを見るための装置 – の開発によって変わった。
イメージスライサーにより、前世代の機器よりもはるかに薄暗いレベルまで夜空の領域の分光画像を撮ることができるようになった。
Caltechのチーム（このプロジェクトでの私たちの共同研究者の1人）がChris Martinを中心に、超微光分光器であるKeck Cosmic Web Imagerを構築し、ケック望遠鏡に搭載した。ケック望遠鏡は世界最大級の光学望遠鏡の1つであり、ハワイのマウナケア火山頂上にある立地は世界最高の天文観測地の1つである。
新しい装置が設置されたことで、私たちは空の極めて薄暗いものを見ることができるようになった。
私たちはこの機器を使って、ある銀河の周りの一見空っぽの空間を一晩中見つめた。これに続いて、データの分析に集中的な作業が行われた。望遠鏡の限界で作業していたからだ。
ここで功績を挙げたのは、現在オクラホマ大学の教授であるNikki Nielsenだ。彼女は私たちのスウィンバーン大学のチームで働いていたときに、データ分析と論文の執筆を主導した。私たちの興奮の中、この賭けは成功し、1つの銀河の周りのガスのハローの画像を生成できるデータを返してきた。
銀河を取り巻くガスの覆いはどのように見えるのか
私たちのチームは、通常「銀河」と呼ばれる領域の10倍も大きな領域にわたる水素と酸素ガスの輝きの画像を撮影した。
これは興奮する結果だった！まず、宇宙の通常の物質のほとんどがこれらの拡散したガスのハローにあるという考えを確認したからだ。
また、銀河が周囲のハローへ滑らかに「フェードアウト」するのではなく、一方から他方への急激な変化があることもわかった。
過去には、この遷移の性質について多くの議論があった。私たちのデータでは、星の大多数が存在する場所の端近くで急激な変化が容易に見て取れる。
なぜハローが見えるのか
ガスが見える理由についてはまだ謎が残っている。それは輝いているが、なぜ輝いているのかわからない。
銀河内部では水素ガスの輝きをよく見るが、そこでは近くの星からの強い放射によって加熱されていることがわかっている。しかし、銀河の外側では、ガスを十分に加熱して私たちが見る輝きを説明するほど近くに星がない。
1つの可能性は、ハローが異なる方向に動くガスの流れで構成されているというものだ。流れが高速で衝突すると、その衝撃で輝く。
もう1つの可能性は、一部の非常に重い星と特定のブラックホール（どちらも銀河内部にある）が非常に大量の紫外線を生成しているというものだ。この光の一部は銀河から逃げ出し、宇宙に一種の周囲の背景紫外線照明を提供している可能性がある。
高速で移動するガスの流れと組み合わさって、紫外線の背景が私たちが見た輝きを生成するのに十分かもしれない – しかし、確実に知るにはさらなる観測が必要だ。
