第28章銀河の進化と分布The Evolution and Distribution of Galaxies

One of the conclusions astronomers have reached from studying distant galaxies is that collisions and mergers of whole galaxies play a crucial role in determining how galaxies acquired the shapes and sizes we see today. Only a few of the nearby galaxies are currently involved in collisions, but detailed studies of those tell us what to look for when we seek evidence of mergers in very distant and very faint galaxies. These in turn give us important clues about the different evolutionary paths galaxies have taken over cosmic time. Let’s examine in more detail what happens when two galaxies collide.

遠方の銀河を調べた天文学者が得た結論の一つは、銀河全体の衝突と合体が、現在見られる形や大きさを得る過程で、決定的な役割を果たしたということである。近くの銀河で、現在衝突中のものは少ない。しかし、それらを詳しく調べれば、非常に遠く暗い銀河で合体の証拠を探すとき、何に注目すべきかがわかる。そして、それが、宇宙の歴史を通じて銀河がたどった、さまざまな進化の道筋を知る重要な手がかりとなる。二つの銀河が衝突すると何が起きるか、さらに詳しく見てみよう。

Figure 28.1 shows a dynamic view of two galaxies that are colliding. The stars themselves in this pair of galaxies will not be affected much by this cataclysmic event. (See the Astronomy Basics feature box Why Galaxies Collide but Stars Rarely Do.) Since there is a lot of space between the stars, a direct collision between two stars is very unlikely. However, the orbits of many of the stars will be changed as the two galaxies move through each other, and the change in orbits can totally alter the appearance of the interacting galaxies. A gallery of interesting colliding galaxies is shown in Figure 28.7. Great rings, huge tendrils of stars and gas, and other complex structures can form in such cosmic collisions. Indeed, these strange shapes are the signposts that astronomers use to identify colliding galaxies.

図28.1は、二つの銀河の衝突を、迫力ある姿で示している。この激しい出来事でも、二つの銀河の恒星そのものは、あまり影響を受けない。「天文学の基礎：銀河は衝突するのに、恒星はめったに衝突しない理由」を参照しよう。恒星の間には大きな空間があるため、二つの星が直接衝突する可能性は非常に低い。しかし、二つの銀河が互いの中を通り抜けると、多数の恒星の軌道が変わる。その変化は、相互作用する銀河の外見を、すっかり変えてしまうことがある。図28.7には、興味深い衝突銀河の姿を集めてある。巨大な環、星やガスが長く伸びた巨大なつる状構造など、複雑な形が宇宙の衝突で作られる。実際、天文学者は、このような奇妙な形を、衝突銀河を見分ける目印として使う。

The details of galaxy collisions are complex, and the process can take hundreds of millions of years. Thus, collisions are best simulated on a computer (Figure 28.8), where astronomers can calculate the slow interactions of stars, and clouds of gas and dust, via gravity. These calculations show that if the collision is slow, the colliding galaxies may coalesce to form a single galaxy.

銀河衝突の詳しい過程は複雑で、数億年かかることもある。そのため、コンピューターによるシミュレーションが適している（図28.8）。これなら、恒星や、ガスと塵の雲が、重力を通じてゆっくり相互作用する様子を計算できる。計算によると、衝突がゆっくりなら、二つの銀河は一体化し、一つの銀河になる可能性がある。

When two galaxies of equal size are involved in a collision, we call such an interaction a merger (the term applied in the business world to two equal companies that join forces). But small galaxies can also be swallowed by larger ones—a process astronomers have called, with some relish, galactic cannibalism (Figure 28.9).

同じ大きさの二つの銀河が衝突する場合、この相互作用を「合体」と呼ぶ。英語のmergerは、同じ規模の二つの企業が力を合わせる、ビジネス上の合併にも使われる言葉である。しかし、小さな銀河が大きな銀河にのみ込まれることもある。天文学者は、この過程を少し面白がって、「銀河の共食い」と呼んでいる（図28.9）。

The very large elliptical galaxies we discussed in Galaxies probably form by cannibalizing a variety of smaller galaxies in their clusters. These “monster” galaxies frequently possess more than one nucleus and have probably acquired their unusually high luminosities by swallowing nearby galaxies. The multiple nuclei are the remnants of their victims (Figure 28.9). Many of the large, peculiar galaxies that we observe also owe their chaotic shapes to past interactions. Slow collisions and mergers can even transform two or more spiral galaxies into a single elliptical galaxy.

「銀河」で扱った非常に大きな楕円銀河は、おそらく、同じ銀河団のさまざまな小さい銀河を食べて形成される。こうした「怪物」銀河は、しばしば複数の核を持つ。近くの銀河をのみ込むことで、並外れて高い光度を得たのだろう。複数の核は、犠牲になった銀河の残骸である（図28.9）。観測される大きく特異な銀河の多くも、過去の相互作用によって、混沌とした形になった。ゆっくりした衝突と合体は、二つ以上の渦巻銀河を、一つの楕円銀河に変えてしまうことさえある。

A change in shape is not all that happens when galaxies collide. If either galaxy contains interstellar matter, the collision can compress the gas and trigger an increase in the rate at which stars are being formed—by as much as a factor of 100. Astronomers call this abrupt increase in the number of stars being formed a starburst, and the galaxies in which the increase occurs are termed starburst galaxies (Figure 28.10). In some interacting galaxies, star formation is so intense that all the available gas is exhausted in only a few million years; the burst of star formation is clearly only a temporary phenomenon. While a starburst is going on, however, the galaxy where it is taking place becomes much brighter and much easier to detect at large distances.

銀河衝突で起きるのは、形の変化だけではない。どちらかの銀河が星間物質を含むなら、衝突がガスを圧縮し、星形成率を最大で100倍にも高めることがある。天文学者は、新しく作られる星の数の急増を「スターバースト」と呼び、それが起きる銀河をスターバースト銀河と呼ぶ（図28.10）。相互作用する銀河の中には、あまりに激しく星を作るため、使えるガスをわずか数百万年で使い果たすものもある。したがって、この爆発的な星形成は、明らかに一時的な現象である。それでも、スターバーストが続く間、その銀河ははるかに明るくなり、遠くからでもずっと検出しやすくなる。

When astronomers finally had the tools to examine a significant number of galaxies that emitted their light 11 to 12 billion years ago, they found that these very young galaxies often resemble nearby starburst galaxies that are involved in mergers: they also have multiple nuclei and peculiar shapes, they are usually clumpier than normal galaxies today, with multiple intense knots and lumps of bright starlight, and they have higher rates of star formation than isolated galaxies. They also contain lots of blue, young, type O and B stars, as do nearby merging galaxies.

110億〜120億年前に光を放出した銀河を、相当な数まで調べられるようになると、天文学者は、これらの非常に若い銀河が、合体中の近くのスターバースト銀河によく似ていると気付いた。遠い銀河も、複数の核や特異な形を持ち、現在の普通の銀河より、塊が多い傾向にある。強い星の光の結び目や塊がいくつもあり、孤立した銀河よりも星形成率が高い。また、近くの合体銀河と同じように、青く若いO型星やB型星を多数含んでいる。

Galaxy mergers in today’s universe are rare. Only about five percent of nearby galaxies are currently involved in interactions. Interactions were much more common billions of years ago (Figure 28.11) and helped build up the “more mature” galaxies we see in our time. Clearly, interactions of galaxies have played a crucial role in their evolution.

現在の宇宙では、銀河の合体はまれである。近くの銀河のうち、今、相互作用に関わっているのは約5％にすぎない。数十億年前には、相互作用はもっと頻繁に起こり（図28.11）、現在見られる「より成熟した」銀河を作り上げる助けとなった。銀河同士の相互作用が、その進化に決定的な役割を果たしてきたことは明らかである。