この写真はなぜ100億円の価値があるのでしょうか？

2022年7月11日、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）の初のカラー写真が正式に公開され、すぐに世界中のネットユーザーにとって最も馴染みのある星空写真となった。

しかし、疑問は、なぜこの写真がこんなに乱雑に見えるのか、つまり、ここでは一体何が撮影されているのか、ということです。

実際、この写真は、地球から69億光年離れた、 SMACS 0723.3-7327と呼ばれる銀河団を写したものです。この写真には興味深い詳細が満載されており、重要な記念碑的な芸術作品とみなすことができます。

不朽の名作「清明沿河図」を鑑賞するのと同じ熱意で、小暑後に発表されたこの「小暑天図」をじっくり鑑賞すれば、興味深い細部も見え、その世界に浸ることができるだろう。

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「浅い弧」

あまり目立たない場所から始めましょう。 「小熱星空図」は色鮮やかなハイライトが多いですが、比較的薄暗い場所にも素晴らしいディテールが見られます。

図 1 では、いくつかの浅い円弧が確認できます。これらは「薄暗い」ものですが、写真に写っている最も驚くべき巨大な重力弧のように、銀河団によって生み出される重力レンズ効果の傑作です。

図1

一般相対性理論によれば、重力によって光が曲がるということを聞いたことがあるかもしれません。 「マイナーヒートスカイマップ」の中央部分は、SMACS 0723.3-7327銀河団の中心領域です。銀河団の巨大な質量によって引き起こされる大きな重力効果により、この領域を通過して私たちの方向に向けられる電磁波の一部が偏向し、このような浅い弧が形成されます。

光を曲げる驚くべき重力効果は、実は写真に写っている明るい銀河が主な原因ではありません。実際には、銀河団は天文学者が暗黒物質ハローと呼ぶ、写真全体よりもはるかに大きい、広大で目に見えない物質の集合体に埋め込まれています。これらの暗黒物質の分布を記述することも天文学者の重要な使命の一つです。

天文学者にとって、それらの湾曲した弧は池でゆっくりと泳ぐ鯉のようなもので、暗黒物質は池の水です。池の透き通った水は見えませんが、鯉の間に水があることはわかります。鯉が一匹増えるごとに、天文学者は暗い宇宙について理解を深めるでしょう。

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「歪んだ銀河」

図2の曲線構造は、「熱少天図」の中で最も目を引くものです。

前述の暗黒物質の重力レンズ効果により、背景の銀河はさまざまな独特な形に形成される可能性があります。図 2 の左側の歪んだ渦巻銀河は、ダリの有名な作品「溶ける時計」の歪んだ時計によく似ています。

図2

しかし、もっと興味深いのは科学的な詳細です。図 2 でオレンジ色で強調表示されている 2 つの歪んだ銀河は、隣にある白い銀河との衝突を避けようとしているように見えます。この一見「ねじれた」姿勢は暗黒物質にも関係しています。

これらの白い銀河の周りには、それぞれの運命を支配する「サブハロー」も存在します。これらの構造は銀河団の暗黒物質ハローよりも小さいため、オレンジ色の銀河からの光を「回り込ませる」ことになり、歪んだ外観を作り出します。このような構造により、天文学者は銀河団の暗黒物質ハロー内の「塊」を観察することができます。観測規模を徐々に縮小することで、「暗黒物質とは何か？」という疑問に対する答えに近づくこともできます。

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「真珠のようなハイライト」

図 3 の領域は非常に小さいですが、拡大すると、銀河の周囲に小さな真珠のような明るい点がいくつか散在しているのがわかります。これらの真珠は、実際には宇宙の初期に銀河で誕生した一連の若い星団です。

図3

これまで、天文学者はこれらの「真珠」を直接観察できるほどの条件を備えていなかったが、今では遠方の銀河における星の形成についても詳細に研究できるようになった。

さらに、以前の「鯉」と同様に、各「真珠」は暗黒物質をマッピングするための追加の道標を提供します。それらの正確な位置から、個々の銀河よりも小さいスケールでの暗黒物質の分布について天文学者は何を学べるのでしょうか?より詳細な構造はありますか?これらの疑問は長い間天文学者を悩ませてきました。

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「対称銀河」

図 4 の領域を拡大してよく見ると、銀河が左右対称に見えることに気づくかもしれません。

図4

拡大画像に対称軸を点線でマークしました。見てください、この対称軸の両側で、矢印で指し示されている明るい点は完全に対称ですか?

このような対称的なパターンは、この銀河の本当の姿ではありません。実際、この特殊な「折り畳み光弧」は、「重力レンズ」の質量分布の特定の位置にたまたまあるために形成されるのです。

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「朱色の点々」

図 5 の 2 つの領域にはそれぞれ小さな明るい赤い点があり、それは朱色の点のように美しいです。もう一度お知らせしますが、この写真の波長帯は可視光の範囲内ではなく、写真のすべての色は制作スタッフによるポストプロダクションカラーリングの結果です。

図5

ただし、塗りつぶしの色には依然として物理的な意味があります。これら 2 つの「辰砂の斑点」は、多くの天文学者にとって夢のターゲットです。明るい赤色は、その放射がすべて最も長い波長の赤外線帯域に集中していることを意味しており、これは宇宙初期の銀河の典型的な観測特性です。

これらは、わずか1億年から2億年前の「幼少宇宙」で誕生し、地球から非常に遠く離れているため、その光は非常に暗く、銀河団などの宇宙拡大鏡の助けを借りてのみ見ることができます。

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楕円銀河

さて、もう一度この写真の中央を見てみましょう。図 6 は、画像全体の中で最も印象的な銀河、つまり銀河団の中心に位置する楕円銀河を示しています。これらは宇宙で最も巨大かつ珍しい銀河であり、その質量は太陽の1兆倍にも達します。

図6

クリーム色で優しい色彩と穏やかな外見の下には、100億年以上にわたる銀河間の適者生存の終わりのないサイクルが隠れています。頻繁かつ繰り返される銀河の合体により、最終的にこの巨大な天体が形成されました。

もっと注意深く観察すると、銀河の絹のような光の中にかすかな星々が浮かび上がっているのに気づくかもしれません。これらは実際には球状星団であり、古代の特殊な条件下でのみ形成される恒星系であり、かつての激しい星形成活動​​の証人です。現在、銀河系における星形成活動​​は完全に停止しており、地上に散らばる球状星団だけがかつての栄光を物語っています。

実際、この一見非常に「乱雑」に見える JWST の「マイナーヒート天空マップ」では、図 6 に示すように、天文学者は少なくとも 10,000 個の星団を見つけることができます。宇宙誕生時の壮大で熱狂的な雰囲気が伝わってきます。

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「浮かぶクラゲ」

図7は暗い空間に浮かぶクラゲのように見えます。右下隅の銀河はクラゲの頭のように見え、左上隅の拡散した綿状の構造はクラゲの触手のように見えます。

図7

一見優雅で美しい「クラゲ」は、実は銀河団の極めて残酷な一面を反映しています。高温のプラズマが銀河内のガスを徐々に剥ぎ取り、漂うガスはやがてクラゲの触手のような帯状の構造を形成します。この工程は「パンチストリッピング」と呼ばれます。

その効果を自分で実証することができます。新聞紙を積み重ねて広げ、風のない体育館で走ることを想像してみてください。近づいてくる気流によって新聞紙が一枚ずつ引き裂かれ、飛び散ります。これは、新聞紙が走る速度によって空気分子が新聞紙に重さと摩擦を克服するのに十分な圧力をかけるためです。同様のプロセスが銀河団でも絶えず発生しています。

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「渦巻銀河」

この「暑さ対策写真」には、素晴らしいものがたくさんあります。その結果、これらの「通常の」銀河には特別な特徴が見られず、簡単に見落とされてしまいます。

しかし、よく見ると、それぞれの銀河が『清明上河図』に登場する生き生きとした多くの登場人物のように、独自の個性を持っていることがわかります。その中でも最も数が多いのは、図 8 に示すさまざまな種類の渦巻銀河です。

図8

渦巻き状の腕は、たっぷりと伸びていたり、自由に伸びていたり、張力でねじれていたりと、銀河の生態系の力強い生命力を表現しています。天文学者として、私は渦巻き銀河を見るといつもとても親しみを感じます。なぜなら、私たちが住んでいる島宇宙は、ごく普通に見える渦巻き銀河だからです。

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「漠然とした『影』」

図 8 の渦巻銀河よりもさらに目立たないのが、図 9 のぼやけた「影」です。

図9

これらの影は「低輝度銀河」と呼ばれます。非常に暗いのは、その中の星が非常にまばらに分布しているからです。これらは、JWST のような史上最強の宇宙望遠鏡を使っても観測するのが困難です。

しかし近年、天文学者たちはこれらの天体が銀河団にとって欠かせないものであることに気付きました。これらのユニークな外観は、それらを生み出した暗黒物質ハローの特殊な性質、または何らかの特殊な物理プロセスによるものと考えられます。天文学者は今のところこれらの影についてほとんど何も知らないが、それらは莫大な科学的可能性を秘めている。

実は、画像の表面輝度が低い部分には、私たちが知らない天体が数多く存在します。たとえば、図 9 の右端にある「爪のような」構造は、多くの経験豊富な天文学者を困惑させてきました。

これは重力レンズ効果によって歪んだ極端に広がった銀河でしょうか?それとも崩壊しつつある銀河の残骸でしょうか?その理由はまだ誰にもわかりませんが、観察が深まるにつれて、同様の謎がどんどん明らかになるでしょう。

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「インタークラスターライト」

図10は、「Minor Heat Sky Map」のオリジナル画像における最大の低表面輝度構造です。その中でも最も目立たない部分だといえるでしょう。しかし、画像美化ツールを使用してコントラストを可能な限り高めると、銀河の両端にぼやけた光が 2 つ見えるようになります。

図10

自分の目を疑わないでください。これは本物の「銀河団間光」であり、銀河団構築の歴史の証人です。銀河が銀河団に落ち込むと、崩壊して飲み込まれる過程で、いくつかの星が剥ぎ取られて銀河間をさまようことになります。

数え切れないほどの合体を経て、これらの「ゴースト」は十分な質量を蓄積することができます。ぼんやりとした「グループ間の光」は、光の世界と闇の世界の境界を象徴しています。これらは銀河団の形成史を研究する上で重要な手がかりとなるだけでなく、天文学者が暗黒物質の分布を描くための道標でもある。

この「マイナーヒートスカイマップ」では、天文学者は何万もの天体を特定することができます。上記の 10 の詳細は、この写真が伝える壮大な宇宙叙事詩の中のほんの一部にすぎません。しかし、人類史上最強のこの宇宙望遠鏡の大きな可能性をすでに感じていただけると思います。

一般の人々と向き合う「アーティスト」として、JWST の最初の作品「Less Heat in the Sky」はすでに非常に素晴らしいです。今後、彼のより成熟した作品はどれほど素晴らしいものになるのでしょうか?一緒に待って見ましょう。

著者｜Dr.ハゲモンスター

レビュー｜北京天文館研究員 劉 倩