天の川銀河の円盤は厚く生まれ、平らになるまで30億年かかった

天の川銀河は、今日私たちが見ているような薄く平坦な円盤として始まったわけではない。太陽近傍の恒星について得られた精密な年齢データは、銀河最初の円盤がガスと若い恒星からなる厚く激しくかき回された層だったこと、そしてそれが急速に平坦化した後、現在も続くごく緩やかな変化へと移行したことを示している。

これは天文学者が四十年にわたり議論してきた問いに答えるものだ。天の川銀河の厚い円盤にある古い恒星は、銀河面から高い位置で生まれたのか。それとも平らな場所で生まれ、後から渦状腕、ガス雲、銀河の棒状構造によって上方へ押し上げられたのか。少なくとも銀河の若い時代について、新たな測定結果は明確に前者を支持している。

この成果は、テネリフェ島のInstituto de Astrofísica de Canarias（IAC）が進めるChronoGalプロジェクトによるものだ。同プロジェクトは、欧州宇宙機関（ESA）のガイア（Gaia）衛星が取得したデータを恒星年齢へと変換する。筆頭著者でIACの博士前期研究員であるダビド・ミラバル（David Mirabal）は、これを「銀河初期段階に関する二つのモデルの一方を支持する、初めての明確な観測的証拠」と表現した。

二つの段階は際立って異なる。最初の段階では、円盤の恒星が銀河面から離れる典型的な高さが、およそ20億年の間に4,100光年以上から約1,600光年へと低下した。約108億5,000万年前の転換点以降、薄くなる速度はおよそ50分の1にまで鈍化し、最も新しい恒星は現在、厚さ約400光年の層で形成されている。

Gaiaの年齢データが40年越しの論争を測定可能な問題に変えた方法

Gaiaは10億個を超える恒星の位置、運動、明るさを測定してきたが、それぞれの恒星に年齢を刻印しているわけではない。ChronoGalは統計的に年齢を導き出す。研究チームは、各恒星がどれほど明るく、どれほど青いか赤いかを示す色等級図を作成し、恒星進化モデルから得られる、年齢と化学組成が既知の合成恒星と照合する。最も適合する組み合わせから、各年齢と金属量でどれだけの恒星が形成されたかが分かる。

この手法は5％を上回る年齢精度に達しており、100億年以上前の恒星であっても誤差は約5億年にとどまる。この精度こそが核心である。従来の研究では、年齢の代替指標として化学組成で恒星を分類していたが、そのグループには大きく異なる年齢の恒星が混在していた。そのため、このチームが探していた初期の急速な変化がまさにぼやけてしまっていた。

研究者らは太陽を中心とする二つの円柱領域を対象とした。一つは冷たく平坦な軌道を持つ恒星のための半径約815光年の領域、もう一つはより高温で傾きの大きい軌道を持つ恒星のための半径約2,450光年の領域である。両方を銀河面の上下約3,260光年まで八つの層に分け、塵に遮られた恒星やGaiaには暗すぎる恒星をすべて補正し、年齢と金属量を共有する集団として結果を分類した。

次に各集団について、恒星が銀河面の上方へどこまで広がった後に密度が薄くなるかを測る標準的な尺度であるスケールハイトを算出した。スケールハイトを年齢に対してプロットすると、その間に明瞭な折れ曲がりを持つ二本の直線が得られた。データに適合させたモデルは、その折れ曲がりを108億5,000万年前、誤差約1億3,000万年と位置づけた。

揺さぶられて膨らんだのではなく、厚く生まれた

二つの考え方が競合していた。加熱モデルでは、恒星は常に薄く冷たい層で生まれ、数十億年にわたってガス雲、渦状腕、棒状構造との相互作用が軌道を膨らませる。そのため古い恒星がより高い位置にあるのは、より長く揺さぶられてきたからだと考える。これに対し逆さまモデルでは、若い銀河のガス自体が乱流的で厚かったため、最初の恒星は高い位置で生まれ、その後の世代ほど静かで薄い層で形成されたとする。

加熱は遅く、一定の速度で進む。とりわけ、より小さな銀河を取り込み続けており、本来なら高温状態を保っていたはずの若い銀河において、約20億年で厚みの半分以上を失った円盤を説明するのは容易ではない。Gaia-Sausage-Enceladusとして知られる矮小銀河との最後の大規模衝突は約100億年前、急速な段階が終わった時期とほぼ重なる。著者らは、乱流的で逆さまの形成段階全体は約30億年続いたと結論づけている。

比較すれば、その規模を実感しやすい。研究対象となった最も古い集団は、厚い円盤について教科書で一般的に示される約2,900光年のスケールハイトを超える高さまで広がっている。約46億年前に生まれた太陽は、沈静化した段階に属しており、この時期には沈降速度が10億年当たりおよそ120光年まで低下していた。著者らの表現を借りれば、膨らんだ最古の恒星は「初期銀河の組み立て段階を示す構造的な化石」である。

このパターンは宇宙論的シミュレーションとも一致する。FIRE-2の計算を含む天の川銀河に似た銀河のモデルは、恒星が無秩序な軌道で生まれる突発的かつ混沌とした初期時代の後、回転する薄い円盤へ急速に収縮することを予測している。今年発表された別の研究は、天の川銀河が円盤として回転を始めた時点を、大きな誤差幅を伴いながらも約120億年前と推定しており、これは急速な薄化の始まりと整合する。

恒星年齢データだけでは決着しないこと

この測定が対象とするのは、太陽の周囲数千光年に限られた太陽近傍だけである。天の川銀河の直径は約10万光年に及び、内側と外側の円盤は異なる時間軸で落ち着いた可能性がある。金属量が異常に豊富な内側の銀河から移動してきた恒星は、局所的な傾向には従わないため、フィットから除外された。

初期の急速な段階を支えるデータ点は少ない。古い年齢側の傾きには大きな不確実性があり、急速な段階における沈降速度は、最良推定値より約45％低い可能性も、75％高い可能性もある。最も古い二つの集団については、チームはスケールハイトの下限しか設定できなかった。また、より高温のサンプルに含まれる一部の集団は手作業で分離する必要があったが、著者らはデータを一様に分割した場合にも同じ結論が得られると報告している。

加熱モデルも排除されたわけではない。沈静化した段階については、徐々に薄くなる傾向は両モデルに等しくよく適合する。シミュレーションは二つの過程が同時に作用することを示唆しており、加熱は年齢に伴うスケールハイト全体の増加に30％から40％寄与している。そして本研究におけるあらゆる年齢は恒星進化モデルに依存しているため、それらのモデルに系統誤差があれば、年表全体がずれることになる。

天の川銀河の厚い円盤と薄い円盤に関するよくある質問

天の川銀河の厚い円盤とは何ですか？

それは、渦状腕と大半の若い恒星が存在する薄い円盤に重なっている、より膨らんだ古い恒星の層である。その恒星は通常100億年以上前のもので、金属量が少なく、より傾いた軌道を持つ。新たな研究は、この層が後から薄い円盤から加熱されて生じたのではなく、乱流的なガスから最初に形成されたことを示唆している。

天文学者は恒星の年齢をどのように測定するのですか？

単独の恒星については難しい。恒星の色と明るさは数十億年かけてゆっくりとしか変化しないためだ。ChronoGalは大規模な恒星サンプルの色と明るさを一度に恒星モデルへ適合させることで、集団全体について5％を上回る精度、最も古いものでは約5億年の精度で年齢を導き出す。

天の川銀河の円盤はどれほど厚いのですか？

恒星の年齢によって異なる。最も新しい恒星はスケールハイトが約400光年の層で形成される一方、本研究で最も古い集団は4,100光年以上に達する。銀河自体の直径は約10万光年であり、その幅に比べれば厚い円盤でさえ薄い。

逆さまの形成とは何を意味しますか？

それは円盤が上から下へ形成されたことを意味する。最初の恒星は厚く乱流的なガス層で生まれ、その後の世代ほど薄く穏やかな層で形成された。これと反対の考え方では、すべての恒星は薄い層で生まれ、時間とともに上方へ移動したにすぎないとする。

次に何が起きるのか

論文は2026年10月16日にThe Astrophysical Journal Lettersに掲載され、IACは10月19日にこの結果を発表した。ChronoGalは欧州研究会議（ERC）の上級研究助成金（Advanced Grant）の資金提供を受けており、すでに同じGaiaの手法を銀河内側と最古の円盤恒星に適用している。

次の検証機会は2026年12月2日に訪れる。この日、ESAは5.5年分の観測を収録したGaia Data Release 4を公開する。より遠方にある恒星について距離と運動がより高精度に得られることで、チームは108億5,000万年前の折れ曲がりが太陽近傍の外側にも現れるのか、それとも銀河の別の場所では異なる時計で沈静化したのかを確認できるはずだ。

参考文献：Mirabal et al., “A Two-stage Settling of the Milky Way Disk Revealed by Precise ChronoGal Ages,” The Astrophysical Journal Letters, 2026. DOI: 10.3847/2041-8213/aeb0a3

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