二重銀河バッフルハッブル天文学者-「私たちは混乱していた」

地球上のハッブル宇宙望遠鏡を示す3Dアニメーション。 クレジット：ESA / Hubble（M。Kornmesser＆LL Christensen）

天文学者は、爆発する星から衝突する銀河まで、私たちの広大な宇宙全体に散らばっているいくつかの非常に奇妙なものを見てきました。 したがって、彼らが奇妙な天体を見るとき、彼らはそれを識別することができると思うかもしれません。

しかし NASAハッブル宇宙望遠鏡は、似たような見た目の物体のペアのように見えるものを発見したので、天文学者がそれらが何であるかを判断するのに数年かかりました。

オハイオ州ポーツマスにあるショーニー州立大学の天文学者ティモシー・ハミルトンは、「私たちは本当に困惑した」と述べた。

UFOは、1対の銀河バルジ（銀河の星で満たされた中心軸）と少なくとも3本の別々の平行線で構成されています。 ハッブルを使って活動銀河のくすぶっているコアであるクエーサーのグループを調査しているときに、ハミルトンは偶然それらを発見しました。

ハミルトンとハワイ大学ヒロ校のリチャード・グリフィスが率いる成長中のチームは、行き止まりの理論を追いかけ、同僚に助けを求め、多くのスクラッチを行った後、最終的にすべての手がかりをつなぎ合わせて謎を解き明かしました。

線形オブジェクトは、110億光年以上離れた場所にある重力レンズを備えた遠方の銀河の引き伸ばされた画像でした。 それらは互いに同一のイメージであるように見えました。

チームは、銀河の前景にある重なり合って組み込まれていない銀河のグループの巨大な重力が、その背後にある遠く​​の銀河の空間を歪め、増幅し、明るくし、拡張することを発見しました。これは重力レンズと呼ばれる現象です。 ハッブルの調査では、重力レンズによって引き起こされたこれらのミラーとミラーの歪みの多くが明らかになっていますが、このオブジェクトは独特の神秘的です。

この場合、背景の銀河と前景の銀河団の間の微妙な位置合わせにより、遠くの銀河の同じ画像の2つの拡大されたコピーが生成されます。 このまれな現象は、背景の銀河が宇宙の構造の波紋であるために発生します。 この「波紋」は、宇宙の質量の大部分を構成する目に見えない接着剤である暗黒物質の密度の高い量の引力のために、より大きなインフレーションの領域です。 遠方の銀河からの光がこの波紋に沿ってクラスターを通過すると、2つの鏡像が生成され、3番目の画像は側面から見ることができます。

グリフィスは、この効果をプールの底に見られる明るい波状のパターンと比較しています。 「晴れた日のプールの起伏のある表面を考えてみてください。プールの底に明るい光のパターンが見られます」と彼は説明しました。 下部のこれらの明るいパターンは、同様のタイプの重力レンズ効果によって引き起こされます。 表面の波紋は部分的なレンズとして機能し、太陽光を下の光沢のあるジグザグパターンに集中させます。」

重力レンズを備えた遠方の銀河では、波紋が拡大し、クラスターを通過する背景の銀河からの光を歪めます。 波形は、二重鏡を生成する不完全な曲面鏡として機能します。

パズルを解く

しかし、ハミルトンが2013年に奇妙な線形の特徴を発見したとき、このまれな現象はよく知られていませんでした。

彼がクエーサーの画像をのぞき込むと、反射画像と平行線のショットが現れました。 ハミルトンはこれまでにそのようなものを見たことがなく、他のチームメンバーもそれを持っていませんでした。

「私の最初の考えは、彼らが先のとがった方法で広げられた腕で銀河と相互作用していたかもしれないということでした」とハミルトンは言いました。 「それは本当に適合しませんでした、しかし私も何を考えるべきかわかりませんでした。」

そこでハミルトンとチームは、これらの複雑な直線の謎を解くための探求に着手しました。これらの直線は、後に発見者のために「ハミルトンオブジェクト」と呼ばれました。 彼らは、宇宙ひもから惑星状星雲まで、さまざまな反応を引き出した天文学会議で同僚に奇妙なイメージを示しました。

しかし、その後、元のチームのメンバーではなかったグリフィスは、ハミルトンが2015年のNASAの会議で画像を見せたときに、最も説得力のある説明を提供しました。これは、ハッブルで見られたのと同様のレンズ現象によって引き起こされた拡大された歪んだ画像でした。 。 他の巨大な銀河団の画像は、非常に遠い銀河の画像を増幅します。 グリフィスは、深いクラスターのハッブル調査で同様の線形オブジェクトを知ったときに、このアイデアを確認しました。

しかし、研究者たちは依然として問題に直面していました。 彼らはレンズの質量を決定できませんでした。 通常、銀河団を研究する天文学者は、最初に前景の銀河団が反射を引き起こしているのを見て、次に銀河団内の遠方の銀河の拡大画像を見つけます。 スローンデジタルスカイサーベイの画像を検索すると、拡大画像と同じ領域に銀河団が見つかりましたが、インデックス付きのサーベイには表示されませんでした。 しかし、奇妙な画像がクラスターの中心にあるという事実は、クラスターがレンチキュラー画像を生成していることをグリフィスに明らかにしました。

研究者の次のステップは、3つの画像が同じ距離でレンズ化されているかどうか、したがってすべて同じ遠方の銀河の歪んだ画像であるかどうかを判断することでした。 ハワイのジェミニ天文台とWMケック天文台での分光測定は、研究者がこの主張を確認するのに役立ち、画像が110億光年以上離れた銀河からのものであることを示しました。

レンズによる3番目の画像の再構成に基づく遠方の銀河は、連続的なゴツゴツした星形成を伴うジグザグの渦のように見えます。

グリフィスとヒロの学部生による分光観測とほぼ同時に、シカゴの別の研究者グループが質量を決定し、スローンデータを使用してその距離を測定しました。 クラスターは70億光年以上離れた場所にあります。

しかし、クラスターに関する情報がほとんどないため、グリフィスのチームは、これらの異常なレンズ形状を説明する方法にまだ苦労していました。 「この重力レンズは、ハッブルが以前に研究したほとんどのレンズ、特にクラスターのハッブルフロンティアフィールド調査で非常に異なっています」とグリフィスは説明しました。 「多くのレンズを見つけるために、これらのクラスターを長時間見つめる必要はありません。このオブジェクトでは、これが私たちが持っている唯一のレンズです。そして、最初はクラスターについてさえ知りませんでした。」

目に見えないマッピング

その時、グリフィスは重力レンズ理論の専門家であるドイツのハイデルベルク大学のジェニー・ワーグナーに連絡を取りました。 ワーグナーは同様の物体を研究し、現在イギリスのマンチェスター大学にいる同僚のニコラス・テッサーと一緒に、これらのようなユニークなレンズを解釈するためのコンピュータープログラムを開発しました。 彼らのソフトウェアは、チームが3つの画像がレンズでどのように見えるかを発見するのに役立ちました。 彼らは、拡張された画像の周りの暗黒物質は、小さなスケールで空間に「スムーズに」分布されるべきであると結論付けました。

「これらの位置にあるゴツゴツした暗黒物質の有無を測定するために、2つの鏡像だけが必要なのは素晴らしいことです」とワグナー氏は述べています。 「ここでは、レンズモデルを使用していません。複数の画像から観察できるものと、それらを互いに変換できるという事実を取得するだけです。これらは、私たちの方法で折りたたむことができます。これは本当に私たちにアイデアを与えますこれらの2つの位置で暗黒物質がどれほど滑らかであるかについて」

グリフィス氏によると、この発見は重要です。なぜなら、天文学者は、暗黒物質が発見されてからほぼ1世紀経った今でも、暗黒物質が何であるかを知らないからです。 私たちはそれが物質の形であることを知っていますが、粒子が何でできているのかわかりません。 ですから、彼の振る舞いはまったくわかりません。 私たちはそれが質量を持ち、重力の影響を受けることを知っているだけです。 凝集または滑らかさにおけるサイズ制限の重要性は、粒子が何であるかについてのいくつかの手がかりを私たちに与えることです。 暗黒物質が小さければ小さいほど、粒子はより大きくなるはずです。」

チームペーパーはの9月号に掲載されています 王立天文学会月報。

参照：「ハミルトンの体–銀河群集のコースティック重力に沿って伸びるクラスター化された銀河：暗黒物質クラスター化の制約」、リチャードE.グリフィス、ミッチェルルディセル、ジェニーワーグナー、ティモシーハミルトン、ボーチーファン、キャロラインフェルフォース、5月17日2021年、 王立天文学会月報。
DOI：10.1093 / mnras / stab1375

ハッブル宇宙望遠鏡は、NASAと欧州宇宙機関（ESA）の間の国際協力プロジェクトです。 望遠鏡は、メリーランド州グリーンベルトにあるNASAのゴダードスペースフライトセンターによって運営されています。 メリーランド州ボルチモアにある宇宙望遠鏡科学研究所（STScI）は、ハッブル科学の運用を行っています。 STScIは、ワシントンDCの天文学研究大学コンソーシアムによってNASAのために運営されています。