銀河系（天の川銀河、太陽系が属する銀河）は成長・形成の過程にあったおよそ100億年前、別の小型銀河との大規模な衝突に見舞われたと考えられている。

この宇宙的な大異変は、銀河系の構造を恒久的に変化させた。銀河系中心核にある超大質量ブラックホールから旋回しながら外へ伸びる、複数の分厚い“渦巻き腕”を形成したのだ。

最近、発表された2件の論文（1件は6月に発表、もう1件はまだ査読審査中）では、この衝突の証拠と見られる事象がとりあげられている。これまで解明されていなかったものだ。

「これは大きな前進です」と述べるのは、今回の研究には参加していないウィスコンシン大学の天体物理学者エレナ・ドンギアだ。「今回の研究が興味深い理由は、銀河系の歴史の詳細をついに解明できるからです」

衝突の痕跡を探る天文学者たちは、銀河の考古学者のような姿勢で研究に取り組む必要がある。衝突の発生から非常に長い年月を経ているからだ。現在まで残る情報のさまざまな発生源を慎重に取捨選択して、入手可能な証拠と一致するストーリーを組み立てなければならない。

衝突によって宇宙にまき散らされた星々

論文を発表した2つの研究チームは、どちらも欧州宇宙機関（ESA）の宇宙望遠鏡「ガイア」（Gaia）の観測データを利用した。ガイア宇宙望遠鏡はこれまで、膨大な数の恒星の性質に関する極めて多様なデータを集めてきた。恒星の位置や運動に関するデータだけでなく、恒星の多くについては輝度や温度、年齢、組成などのデータも収集している。

両チームとも基本的には、解像度が高く多次元の銀河系地図を作成し、これを特殊な古い恒星を見つけるために利用した。その恒星とは、太古に起きた衝突から合体に至る記憶を保持するとみられるものだ。

コロンビア大学の天体物理学者キャスリン・ジョンストンは、「ガイアの観測結果のおかげで、これまで銀河のなかに存在していることはわかっていたものの、確認できなかったものを見られるようになりました」と述べる。

大規模衝突を示唆する手がかりはこれまでにも見つかっていたが、どれも決定的な証拠を示すものではなかった。特異な恒星が明確に区別できるひとつのまとまりで存在しているのなら、それらが別のどこかからやってきた「侵入者」である証拠と考えられる。しかし、そのような証拠は存在しない。太古の衝突によって銀河の構造が激変した結果、手がかりとなる星々が銀河系全体にまき散らされたらしい。

「衝突の残骸はいたる所にあります。地球は現在、基本的にその残骸に取り囲まれているのです」と語るのは、ケンブリッジ大学の天文学者ヴァシリー・ベロクロフだ。同氏は、『英国王立天文学会月報』のオンライン版に6月2日付けで論文を発表した研究チームを率いていた。

「金属」の存在量比が銀河の歴史の手がかりとなる

ベロクロフの研究チームは多数の恒星を発見した。それらは、銀河系の回転とともに移動しているわけではなく、銀河系の中心から周辺部に至る「半径」上を移動しており、中心に近づいたり遠ざかったりしている。

また、これらの恒星は金属が豊富だ。ここでいう金属とは、天文学者によれば「水素、ヘリウム、リチウムより重い元素」を指す。金属量が多い恒星は、星の世代交代が数多く重ねられたあとに形成された可能性が高い。これらは、銀河系に衝突した太古の銀河の末裔の星々であり、それらの軌道はいまだに宇宙をかき乱した太古の銀河の、ほかとは違う軌道を反映しているという。

「池に小石を投げ入れると、しばらくの間はさざ波が立ち続けます。同様に、銀河系の円盤が揺さぶられると、それが数十億年前のことであっても、反応が静まるのにしばらく時間を要する可能性があるのです」と、コロンビア大学のジョンストンは説明する。

ベロクロフのチームは、さまざまな衝突シナリオをモデル化した。大規模衝突が起きず、平穏だった可能性に基づいた歴史なども検討した。その結果、今日観測されるような多数の星々は、小型の「矮小銀河」の衝突によって生じた可能性があることがわかった。

オランダ・フローニンゲン大学の天文学者アミナ・ヘルミが率いるもうひとつの研究チームは、星々の化学的性質をより詳細に分析した。この研究は、ガイア宇宙望遠鏡から得た、より新しくて大規模なデータ群に基づいたものだ。超新星爆発で生成される鉄と、大質量で短命な恒星によって生成されるマグネシウムなどの元素との存在量比は、今日までにいたる銀河の歴史に関する手がかりをもたらす。

ヘルミと研究チームはこのデータを用いて、銀河系の内部には太古の銀河衝突の残骸に関する手がかりが含まれているとの結論を下した。チームは、銀河系に衝突してきたこの古代銀河を「ガイア・エンケラドス」と命名した。

銀河系を構成する2つの「渦巻き円盤」

銀河衝突に関する今回の論文は、銀河系の構造に関する長年の疑問を解決する一助になるかもしれない。銀河系の星々で構成される「渦巻き円盤」は、実際には2つの領域からなる。星が密集した“薄い領域”を、星が散在する“厚い領域”が包み込んでいるのだ。この厚い円盤がどのようにして生じたかについては、まだよくわかっていない。

これらの星々はおそらく別の銀河に由来するものか、あるいは、もともとは薄い円盤由来の恒星で、互いの相互作用によって徐々に外側に移動してきた可能性がある。ベロクロフとヘルミの両チームによる研究は、ガイア・エンケラドスの衝突が、薄い円盤の星々を厚い円盤の中にはじき出したという説を示唆するものだ。

「このような衝突が初期の銀河系に起きたとすると、この衝突は恒星で形成される円盤を損ない、破壊します。そして、かなり離れた領域にまで恒星をはじき飛ばすでしょう」と、ベロクロフは述べる。

研究は現在も続けられている。ガイア・エンケラドスがどのくらいの大きさであった可能性が高いかや、銀河系と衝突・合体した正確な時期などについては、両チームともまだ解明にはいたっていない。また、銀河系の円盤が衝突の衝撃を受けてどのように乱され、厚い領域まで「膨張」したかについて、確かなことは誰にもわからない。

コロンビア大学のジョンストンは言う。

「衝突の衝撃がそれだけでどれほど重大だったかについてはわかりませんが、（厚い領域を形成した可能性のある）原因のひとつは、今回の研究で突き止められました。本当に興味深いのは、円盤内を入念に調査し、衝突の痕跡をたどり、残響としていまだに続いている直接的な影響をさらに多く発見できるかどうかについて、確かめることです」