milky way on mountains
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天の川は、宇宙誕生後の最初の20億年に数千の小銀河が衝突・合体して成長したとするシミュレーションが発表されました。研究チームは初期のガスや星、元素の変化を追跡し、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）の観測と比較できる銀河の光の特徴を計算しました。

数千の小銀河から現在の天の川へ

シミュレーション「MEGATRON」は、宇宙誕生から1億8000万年後の、星も銀河もなく、重元素を含まないガスだけが存在する状態から始まります。その後の20億年間に、最初の星が生まれ、星の爆発で炭素や酸素、鉄などが周囲へ広がる過程を追います。

モデルでは、現在の天の川につながる領域に、星形成が盛んな銀河やガスだけを含む銀河など、性質の異なる小銀河が現れます。それらが時間をかけて合体し、現在の銀河へ成長する様子を再現しました。シミュレーションは3年かけて実行され、研究チームは天の川級銀河の初期進化を調べる詳細なモデルと位置づけています。

モデルは、星を持たずに光を放つ銀河も予測しました。過去に星が存在し、爆発またはブラックホールへ崩壊した可能性のある銀河と、初めからガスだけだった可能性のある銀河が含まれます。また、天の川の形成に関わる合体はシミュレーションの終了後も続いています。いて座矮小銀河との大規模な合体は60億年以上前に始まり、現在も進行中です。

JWSTの初期銀河観測とモデルのずれ

JWSTは宇宙初期の銀河を観測し、従来のモデルの予想より明るい銀河を見つけています。小型で赤く見える「Little Red Dots」もその一つです。初期の銀河が想定以上に急速に成長したように見える問題を受け、既存モデルの見直しが進んでいます。

ただし、明るさがそのまま銀河の質量を示すとは限りません。NASAが紹介した研究では、初期銀河の一部にあるブラックホールがガスを取り込み、その周囲のガスが放つ光によって、銀河が実際より明るく、重く見える可能性が示されました。その光の影響を考慮すると、標準的な宇宙論モデルと合わないほど重い銀河は残りません。一方、JWSTが捉えた大質量銀河の数は予想のおよそ2倍とされています。

MEGATRONは古いガス、星の光、化学組成を計算し、仮想銀河が放つ光のスペクトルを予測します。JWSTも同じ時代の銀河のスペクトルを観測するため、両者を照らし合わせてモデルに欠けている物理過程を調べられます。公開されたMEGATRONの研究は、17万5000を超える銀河スペクトルのライブラリを示し、JWSTで見られるスペクトルの多様性を宇宙論モデルの枠組みで再現できると報告しています。

星の光と化学組成を同時に追う

MEGATRONは、ガスの動き、星の放射、化学元素の濃度の変化を同時に計算します。初期の星が放つ光や、星の最期に起きる超新星爆発が周辺のガスをどう変えるかを追跡し、後の世代の星や銀河に元素が受け継がれる過程をモデル化します。炭素や酸素、鉄などが星の中で作られ、周囲へ広がる過程を追うことで、JWSTの銀河観測と天の川近傍の古い星に残る化学的な痕跡を結びつけます。

研究チームは、ガスの化学状態を単純化せず、時間とともに変化する「非平衡」の過程も取り入れました。シカゴ大学は、この計算を含むモデルが、特に銀河周囲を流れるガスの扱いに影響したと説明しています。バース大学の研究チームは、星の光と複雑な化学過程を考慮することが、初期銀河の観測と古い星の化学的記録を結ぶうえで重要だとしています。

最初期の星は水素とヘリウムだけからできたと考えられ、「種族III星」と呼ばれます。MEGATRONの研究は、こうした星の爆発が鉄を生み、重力の弱い小銀河ではその鉄が宇宙空間へ失われる一方、大きな銀河では保持される過程を、天の川に似た環境で調べています。ただし、これらの星は望遠鏡で直接観測されたことがありません。シミュレーションは、古い星に残る化学組成を手掛かりに、その性質を検討する枠組みを提供します。

銀河合体の痕跡を星から探る

天の川に取り込まれた小銀河の痕跡は、恒星ストリームや古い星の化学組成に残ります。恒星ストリームは、銀河に取り込まれたり崩壊したりした天体に由来する星のまとまりで、天の川の成長過程を調べる手掛かりになります。MEGATRONが予測する古い星の化学的な特徴は、こうした痕跡と初期銀河のJWST観測を比較する研究に関係します。

ESOが紹介した4DWARFS計画は、天の川の衛星矮小銀河や恒星ストリームを調べ、14万個の星について視線速度、化学組成、年齢を測定する予定です。星の化学組成は、星が生まれた環境や、先行する星が作った元素の痕跡を示します。4DWARFSは、金属量の低い星や恒星ストリームを調べ、初期の星や銀河合体の歴史を追うことを目指しています。

MEGATRONの次世代シミュレーションでは、活動中のブラックホールを含む、より複雑な物理過程を扱う計画です。バース大学のチームは、英国の国立スーパーコンピューターで次世代計算に使う4000万プロセッサー時間を得ており、解像度と物理モデルを拡充してJWST観測や古い星の化学的記録との比較を進めるとしています。