銀河はどうしてうずをまいているの？

仕組みの科学

渦巻銀河の構造から整理しよう。天文学辞典によれば、渦巻銀河とは渦巻腕を持つ銀河のことで、円盤内の星やガスは銀河中心の周りを回転している。ガスとダスト、それから生まれたばかりの若い星は円盤の赤道面の薄い層に集中しており、とりわけ渦巻腕に集中している。腕には電離した水素ガスの領域や暗黒星雲が存在し、渦巻銀河の主要な星生成の場になっている。腕が明るく見えるのは、そこで若く明るい星が次々に生まれているからだ。

ここで問題になるのが差動回転である。円盤の星は中心からの距離によって回転の速さが異なるため、もし腕が特定の星の集まりだとすると、内側が先に進み外側が遅れて、腕は回転を重ねるごとにきつく巻き込まれてしまうはずだ。天文学辞典は、現実はそうなっていないと述べる。腕は十分に長い時間、渦の形を保っている。

この矛盾を説明する理論の一つが密度波理論だ。銀河の渦巻腕はその時点での星の粗密を反映しているだけで、円盤部の個々の星は腕と腕の間を移動しているとする。腕は円盤の上に発生した一種の波動パターンであり、星やガスはその波を通り抜けていく。通り抜けるときにガスが圧縮されて星が生まれるため、腕は若い星で明るく縁取られる。辞典が強調するように、低気圧の中心に向かってガスが渦状に流れ込む台風の渦巻構造とは成因が異なるのである。

歴史と発見

銀河が渦を巻いているという事実は、望遠鏡の性能向上とともに明らかになった。ぼんやりした光のしみだった天体が、大型望遠鏡と写真技術によって渦巻状の構造を持つことが分かり、やがてそれらが天の川銀河の外にある別の銀河だと理解されるようになった。渦巻という形は、宇宙に無数の銀河があることの発見と切り離せない。

しかし形が分かると、今度は「なぜ巻き込まれないのか」が謎になった。差動回転を前提にすれば、腕は数回転のうちに巻き込まれて消えるはずだからだ。この巻き込みの問題に対して、天文学辞典が記すように、リンとシューが1964年に密度波理論を発表した。渦巻腕は物質の流れではなく、星の粗密が波として伝わるパターンだという発想の転換である。腕を作っている星は入れ替わり続けるが、混雑のパターンだけが残るという考え方は、渦巻腕が十分に長い時間その形状を維持し続ける仕組みを説明する理論の一つとして受け入れられた。

私たちの銀河についての理解も進んだ。国立天文台の解説によれば、天の川銀河の中心部分には棒状に星が集まった構造があり、その両端から円盤全体に伸びる渦巻き腕が存在している。夜空に見える天の川の正体は、円盤状の星の集まりを真横から見た姿である。自分が中にいる銀河の形を、外から見ることなく推定してきた天文学の歩みは、それ自体が発見の歴史なのだ。

もう一歩先

すべての銀河が渦を巻いているわけではない。天文学辞典によれば、楕円銀河は星が楕円体状に分布している銀河で、星の運動はランダム運動が卓越している。冷たいガスはほぼ存在せず、星生成活動は無視できるほど弱い。星は年齢が古く、顕著な構造は見られない。渦巻銀河と楕円銀河の違いは、円盤の回転運動が支配的か、ばらばらの運動が支配的かの違いであり、ガスの量と星生成の活発さにも直結している。

この対比から、渦巻腕が「若さ」の印だという見方ができる。腕はガスとダストと若い星が集中する場所であり、星が生まれ続けている銀河にだけ現れる構造だ。ガスを使い果たし、星の運動がランダムになった銀河には腕がない。渦を巻いているかどうかは、その銀河がどんな段階にあるかを映している。

密度波理論は渦巻腕の形状維持を説明する理論の一つであり、腕の成因には他の考え方もある。渦巻の腕がどれほど長持ちするのか、どのようにして生まれるのかは、今も観測とシミュレーションの両面から研究されている。家庭でできることとしては、天文学辞典の「渦巻銀河」「楕円銀河」「密度波理論」の項目を読み比べ、銀河の写真を見て腕の有無や中心の棒状構造を探してみるとよい。渦を巻く銀河の腕は、通り過ぎる星が作る渋滞の列であり、宇宙で星が生まれ続けている場所の目印なのである。