近くの小さな銀河37個は、星が作った酸素の1割ほどしか手元に残していなかった

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近くにある小さな銀河37個について、星がこれまでに作った酸素と、いま銀河の中に残っている酸素を数え合わせたところ、残っていたのは平均で1割ほどだった。宇宙望遠鏡科学研究所（STScI）とラトガース大学のクリステン・マクイン（Kristen McQuinn）さんらのチームが、11月2日に The Astrophysical Journal で発表した。

小さな銀河は酸素が薄い

酸素は、宇宙ではビッグバンのときにはほとんどできなかった。いまある酸素の大半は、重い星が中で作り、最期に超新星として爆発するときにまわりへまき散らしたものだ。まき散らされた酸素はガスに混ざり、そのガスから次の星や惑星が生まれる。

天文学者が銀河の「重元素」（水素とヘリウムより重い元素）の行方を追うとき、目印によく使うのが酸素だ。水素、ヘリウムに次いで多く、ガスの中の量を測りやすい。星がどれだけ作るかもよく分かっている。マクインさんも、酸素を選んだのは実用上の理由だと話している。

その酸素が、小さな銀河では薄い。共著者のユタ大学のグレース・テルフォード（Grace Telford）さんによると、天の川銀河のガスでは水素原子2,000個に酸素原子1個ほどなのに対し、今回調べたような小さな銀河では1万〜2万個に1個ほどしかない。小さな銀河は星をあまり作らないので、作られた酸素がもともと少ないのは当然だ。ただ、それだけで説明がつくのか、作られた酸素が外へ出ていってしまったのかは、銀河の中の酸素を全部数えないと分からない。

作った量と残っている量を突き合わせる

上の絵は想像図で、今回の銀河の一つ NGC 4449 をハッブル宇宙望遠鏡が写した実際の画像は、出典に挙げた NASA のページで見られる。

チームが選んだのは、約2,000万光年より近くにある、ガスをたっぷり持ち、いまも星を作っている小さな銀河37個だ。星の質量の合計は、太陽のおよそ300万倍から30億倍。理論では、このくらいの銀河から超新星の力で重元素が吹き飛ばされやすくなると考えられている。どれも近いので、ハッブル宇宙望遠鏡なら星を1個ずつ分けて写せる。遠くの小さな銀河ではこれができない。

やったことは、銀河ごとの酸素の帳簿づけだ。まず「作った量」。いまの星の総量を、引退した赤外線望遠鏡スピッツァーの画像から見積もり、星が一定の量できるたびに超新星がどれだけ酸素を出すかという値を掛けて、これまでに作られた酸素を出す。ハッブルが写した個々の星からは、それぞれの銀河がいつ、どれだけ星を作ってきたかという歴史も読み取った。

次に「残っている量」。ガスの中の酸素の濃さは、星に照らされて光るガスの可視光のスペクトル（光を色ごとに分けたもの）から測り、ガスの総量は電波望遠鏡 VLA と ATCA で水素の電波を観測して求めた。これに、星と、星の燃えかすと、塵（ちり）に含まれる酸素を足す。

結果は、作った酸素のうち銀河に残っていたのが4〜25%、平均で10.7%だった。テルフォードさんは取材に「ふつうは15%ほど」と答えているが、論文の数字は平均約11%だ。残っている酸素のほとんどはガスの中にあり、星と塵にあるのはわずかだった。比べると、同じやり方で調べたアンドロメダ銀河（M31）は38%を残している。今回より小さな銀河レオPは5%で、小さくなるほど少しずつ減る傾向はあるが、その差は大きくない。

濃さは合うのに、量が合わない

テルフォードさんは、酸素は銀河の中の星が作ったのだから、ある時点では銀河の中にあったはずで、それが無いなら外へ出されたはずだと話す。重い星の光と超新星の爆発が、酸素を含んだガスを銀河の外へ押し出す。これを「銀河風」と呼ぶ。小さな銀河は重力が弱いので、大きな銀河より風で物を失いやすいと前から考えられていた。今回の数字はそれを裏づけた。

意外だったのは、コンピューターの中で銀河を育てるシミュレーションとの食い違いだ。チームが比べた3つのシミュレーションは、どれも「銀河の質量とガスの酸素の濃さの関係」を観測どおりに再現している。重い銀河ほど酸素が濃い、という関係で、シミュレーションの出来を確かめるときの定番の物差しだ。ところが、銀河の中に残る酸素の割合を比べると、どのシミュレーションも観測より多かった。そのうちの一つは、今回の銀河の質量の範囲で2〜4倍多く残ると予想していた。

濃さが正しくても、量が正しいとは限らない。ガスの酸素の濃さは、酸素の量をガスの量で割ったものだ。酸素が少なくても、ガスも同じだけ少なければ、濃さは変わらない。実際、銀河の中の酸素の濃さと、どれだけ酸素を残しているかの間には関係が見つからなかった。チームはこれを予想に反する結果としている。

上の絵も想像図だ。今回の銀河は、酸素はほとんど失っているのに、ガスはたっぷり持っている。チームは簡単なモデルで、これが両立する筋書きを探した。超新星が吹き出す熱い風は、まだまわりのガスと混ざりきらない、酸素の濃い物質を優先して運び出す。一方で、ガス全体の量は、もっとぬるい風でゆるやかに減っていく。こう考えると、酸素だけが大きく減ってガスは残る、という観測を説明できるという。小さな銀河は、宇宙の平均から見込まれるほどにはまわりのガスを取り込んでいないことも、モデルから示唆された。

消えた酸素の行き先

銀河から出た酸素がどこにあるのかは、まだ決まっていない。候補の一つは、銀河を取り巻く薄いガスの層（銀河周辺物質）だ。これまでの研究では、小さな銀河のまわりの熱いガスにあるのは、星が作った酸素の1〜7%と見積もられている。もっと冷たいガスの分まで推し量ると5〜35%になるかもしれないが、不確かさは大きい。残りが銀河の重力を振り切って、銀河どうしの間の空間まで出ていったのかは、今の観測では決められないと論文は書いている。

まわりの環境の影響も見えてきた。大きな銀河から100万パーセク（約330万光年）以上離れた銀河は、どれも酸素を15%未満しか残していなかった。大きな銀河の近くにある銀河では残り方のばらつきが大きく、まわりに銀河が混み合っているほど多く残す傾向があった。出ていった酸素が戻ってきたり、近くの銀河が吐き出した酸素を取り込んだりしているのかもしれない。ただし、数が少ないので、チームはまだ確かな傾向とはしていない。

マクインさんは、打ち上げられたばかりのナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡で、さらに暗く小さな銀河を近くの宇宙から探す計画を持っている。見つけた銀河をハッブルやジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡で詳しく見て、どのように星を作ってきたかを調べるという。テルフォードさんは、酸素を作って吹き出す重い星そのものを、今回の銀河の中で詳しく観測する研究を進めている。

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