ハッブル望遠鏡、矮小銀河は星が作った酸素の11%しか保持していないと判明

天の川銀河の周囲に存在する小さな銀河は、自らの星が作り出した酸素のほとんどすべてを失っている。ハッブル宇宙望遠鏡の観測に基づく調査により、典型的な矮小銀河は、その星々が鍛え上げた酸素原子のうち、今なお内部に留めているのはおよそ九つに一つに過ぎず、残りは天文学者が計測可能な銀河内部にはもう存在しないことが明らかになった。

酸素は水素とヘリウムに次いで豊富な元素であり、天文学者はこれを、岩石惑星、水、そして生命の原材料となるすべての重元素の代替指標として用いている。矮小銀河は宇宙で最も一般的な種類の銀河である。もし矮小銀河が自らの星々が生み出す物質の大部分を日常的に捨て去っているのであれば、宇宙の重元素の大きな割合が、銀河と銀河の間のほぼ空っぽの空間に行き着いたことになる。そして、銀河のその他の化学的性質を正しく再現するコンピューターシミュレーションは、はるかに多くの酸素が銀河内に留まるべきだと予測している。

このプロジェクトは「GLOW（銀河が風によって酸素を失う現象）」と名付けられ、現在も星を形成しているガスに富んだ37個の矮小銀河を調査した。これらの銀河は、自らの星々が作り出した酸素のうち4％から25％を保持しており、平均は10.7％である。広く使われている一連の銀河シミュレーションのうちの一つは、その2倍から4倍の保持率を予測している。

この分析を主導したのは、宇宙望遠鏡科学研究所とラトガース大学の天文学者で、NASAのナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡の科学運用センターを統括するクリステン・マクイン（Kristen McQuinn）氏である。この研究成果は『アストロフィジカル・ジャーナル』に掲載された。「酸素は過去のある時点で銀河の内部に存在していたはずだと分かっています。つまり、酸素は外部に放出されたに違いありません」と、共同研究者でユタ大学の助教授であるグレース・テルフォード（Grace Telford）氏は述べている。「そのためには、大質量星からのエネルギーと超新星爆発が必要であり、それらが物質を母銀河から押し出し、銀河間空間へと送り出すのです」

銀河内の酸素の在庫を調べる方法

この研究は、まるで監査のような方法で進められた。まず研究チームは、各銀河がその寿命の間にどれだけの酸素を生成したかを推定した。酸素のほとんどは、超新星爆発を起こす大質量星に由来するため、生成された酸素の量は、銀河がこれまでに形成した星の総質量に比例する。研究者らは、NASAの退役したスピッツァー宇宙望遠鏡が捉えた赤外線データからその質量を測定し、標準的な収量（ガスが星に変換される単位あたりに新たに放出される酸素の質量）を用いて酸素量に換算した。

次に、現在も残っている酸素の量を数え上げた。ハッブル望遠鏡のアーカイブ画像は、各銀河の個々の星を分解し、それらの星の色と明るさから、いつ形成され、どれだけの酸素を内部に閉じ込めているかが明らかになる。電波望遠鏡（ニューメキシコ州の超大型干渉電波望遠鏡群とオーストラリア・コンパクト電波望遠鏡アレイ）は、水素ガスが発する微弱な電波信号を通じてその質量を測定した。若い星々の周りにある輝くガス雲の光学スペクトルからは、そのガス中の酸素含有量が得られ、塵の粒に閉じ込められた酸素の補正を加えて、集計が完了した。

調査対象の銀河は意図的に選ばれた。それらは地球から約300万光年から2000万光年の距離にあり、ハッブル望遠鏡が個々の星を識別できるほど近い。これは、既知の矮小銀河のほとんどでは不可能なことである。これらの銀河の質量は太陽質量の数百万倍から数十億倍の範囲にあり、理論上、超新星の風が最も大きなダメージを与えると予測される範囲に該当する。いずれも大きな銀河の周囲を周回する衛星銀河ではない。保持された酸素のほぼすべてはガス中に存在し、星や塵の中にある量ははるかに少ない。

より大きな銀河は3～4倍多くの酸素を保持

この損失は、より大きな銀河と比較すると極めて大きい。この研究では、これまでの結果をまとめており、太陽質量の約100億倍以上の銀河では、保持率が3～4倍に上昇し、保持された酸素の大部分はガスではなく星の中に閉じ込められていることが示されている。天の川銀河に最も近い大型渦巻銀河であるアンドロメダ銀河は、テルフォード氏らが同様の手法を用いた以前の分析によると、重元素の38％を保持しており、その大部分は星の中にある。

一般的な説明は重力である。小さな銀河は重力の井戸が浅いため、爆発する星々の衝撃波がガスを銀河が保持できない速度で押し出すことができる。GLOWのデータは、逃散する風が残されたガスの約2倍の酸素濃度を持ち、これらの銀河が宇宙の通常物質の割合から予想される量よりも約40％少ない新鮮なガスを銀河間空間から引き込んでいるという単純なモデルに適合する。

小規模な例としては、同じ研究グループが以前に調査した淡い矮小銀河「レオP」があり、その酸素保持率は5％である。天の川銀河のいくつかの衛星銀河はわずか1％から3％しか保持していないが、より大きな銀河がそれらのガスをはぎ取っているため、その損失には別の原因がある。

環境も重要であるように思われる。どの大きな隣接銀河からも約300万光年以上離れた矮小銀河は、一貫して酸素の保持率が低い。大きな銀河に近く、より密度の高い環境にある矮小銀河は、より多くの酸素を保持する傾向がある。これは、外部からの圧力が放出されたガスを押し戻すか、あるいは他の銀河が放出した酸素を掃き集めるためかもしれない。そして、研究チームの予想に反して、銀河が保持する酸素の量は、銀河の質量とそのガスの酸素含有量との間の標準的な関係における位置とは一致しなかった。

シミュレーションは化学的性質を正しく再現するが、酸素収支は誤る

この最後の結果こそが、この研究が矮小銀河を超えて重要である理由である。宇宙論的シミュレーションは質量-金属量関係を再現するように調整されており、研究チームが比較した3つのシミュレーションはすべて、これらの質量域でその関係を良好に再現している。しかし、同じシミュレーションは銀河内部にあまりにも多くの酸素を保持し続けており、あるシミュレーションは測定値の2～4倍の保持率を予測している。また、それらは保持率が質量とともに急激に上昇するはずだと予測しているが、観測結果の総合はそれを示していない。

シミュレーションは平均的な化学的性質を正しく導き出す一方で、酸素の移動の仕方を誤っている。著者らは、この種の不一致が、恒星からのフィードバック（超新星や大質量星によって注入されるエネルギー）に関する競合するレシピを区別するのに役立つ可能性があると論じている。すべてのシミュレーションは、個々の爆発を解像できないため、このフィードバックを近似せざるを得ない。

この調査が解決しないこと

最大の未解決問題は、失われた酸素がどこへ行ったのかである。これらの銀河のいくつかを取り巻く拡散したガスのハローを紫外線観測したところ、高度に電離した酸素が検出されたが、それは生成された酸素のわずか1％から7％に過ぎない。他の状態の酸素を補正すると、ハローの割合は5％から35％の間のどこかに上昇する可能性があるが、この範囲は、酸素の大部分が銀河の近くに留まっているのか、それとも永久に銀河間空間に逃げ出したのかを未解決のままにしている。研究チームは、ハローのガスが平衡状態にない場合、その補正さえも成り立たない可能性があると指摘している。

この監査は前提条件にも依存している。恒星の質量には約33％の不確実性があり、生成される酸素の量は、採用する超新星の収量と、誕生時に仮定される星の質量の混合比に依存する。シミュレーションも異なる収量と、銀河の果ての異なる定義を使用しているため、著者らは厳密な数値間の比較には注意を促しつつ、全体的な傾向は頑健であると述べている。環境パターンは小規模なサンプルに基づいており、暫定的なものとして説明されており、調査対象の37個の銀河はすべて、我々の宇宙近傍にあるガスに富み星を形成しているフィールド矮小銀河であり、あらゆる種類の小さな銀河を代表するものではない。

矮小銀河と失われた酸素に関するよくある質問

矮小銀河とは何ですか？

矮小銀河は、数千から数億個の星を持つ小さな銀河であり、天の川銀河の数千億個の星とは対照的です。矮小銀河は宇宙で最も数の多い銀河です。この研究で対象となったものは、ガスが豊富で、今も星を形成しています。

銀河内の酸素はどこから来るのですか？

そのほとんどすべては大質量星の内部で作られ、それらが超新星として爆発する際に放出されます。世代を重ねるごとに星が周囲のガスを豊かにし、後の世代の星や惑星はその豊かになった物質から形成されます。地球の空気や水の中の酸素は、太陽が存在するはるか以前に、このようにして鍛え上げられました。

失われた酸素はどこへ行ったのですか？

超新星によって駆動された風が、それを銀河の外へ押し出しました。その一部は各銀河の周囲の拡散したガスのハローに存在しますが、測定されたハローの酸素は不足分のごく一部しかカバーしていません。残りは完全に銀河間空間に逃げ出した可能性があり、現在のデータではどちらであるかをまだ判断できません。

なぜ小さな銀河は大きな銀河よりも多くの酸素を失うのですか？

それらの重力は弱いため、爆発する星からのエネルギーがより容易にガスを持ち上げることができます。アンドロメダ銀河のような大きな渦巻銀河は、はるかに大きな割合を保持しており、そのほとんどは星の中に閉じ込められています。GLOWの銀河は平均して約10分の1を保持していました。

ローマン宇宙望遠鏡はさらに淡い銀河を探す

GLOWの調査結果は、2026年11月2日付で『アストロフィジカル・ジャーナル』に掲載され、同時に銀河データの付属アトラスが『アストロフィジカル・ジャーナル・サプリメント・シリーズ』に掲載された。プレプリントは8月に公開されていた。マクイン氏は、新たに打ち上げられたローマン宇宙望遠鏡を用いて、広い空域にわたってさらに小さく淡い銀河を発見するための承認済みプログラムを有しており、その後、ハッブル宇宙望遠鏡とジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を用いてそれらを詳細に研究したいと考えている。テルフォード氏は、ハッブル宇宙望遠鏡を用いて、GLOWのいくつかの銀河で酸素を作り出し、それを外部に押し出している個々の大質量星を調査している。

参考文献：McQuinn et al., “GLOW. II. A Census of Oxygen in Low-mass Galaxies,” The Astrophysical Journal, 2026. DOI: 10.3847/1538-4357/ae93a6

タグ: 天文学, Hubble, 超新星, NGC 4449, 矮小銀河, 酸素