フェルミバブルで最も明るいガンマ線源、実は奥の矮小楕円銀河だった

【2022年9月12日 カブリIPMU】

2010年、NASAのガンマ線天文衛星「フェルミ」による観測で、天の川銀河の中心から上下におよそ5万光年にわたって広がる巨大な泡構造「フェルミバブル」が発見された。このフェルミバブルは、かつて天の川銀河中心部で起こった何らかの爆発的現象に由来するように見えるが、発生源はわかっていない。さらに解釈が難しいのは、フェルミバブルの中に存在する下部構造だ。

その中でも南側にある「コクーン」（cocoon）と呼ばれるスポットは、フェルミバブルの中で最もガンマ線で明るく見える。この構造は、天の川銀河の超大質量ブラックホール「いて座A^*」が過去に暴発した名残ではないかという説もあった。だが、オーストラリア国立大学のRoland M. Crockerさんたちの研究チームがフェルミのデータを解析した結果によると、このガンマ線はフェルミバブルのものではなく、その奥にある「いて座矮小楕円銀河」が発したものだという。

フェルミバブルといて座矮小楕円銀河の想像図。いて座矮小楕円銀河（左下の緑の球）はフェルミバブル（銀河の上下の紫）を通して地球から観測されている（提供：Kavli IPMU）

天の川銀河を公転する衛星銀河の一つであるいて座矮小楕円銀河は、過去に天の川銀河の円盤を通過した際に星の材料となる星間ガスの大部分を失っており、多くの星は細長い流れとなって引きはがされている。もはや新たに星は形成されていないため、恒星の活動や、短命の恒星が起こす超新星爆発でガンマ線が放出されているとは考えられない。

この銀河から放射されるガンマ線の起源の候補として、暗黒物質粒子の対消滅が考えられる。暗黒物質の正体は未解明だが、ほとんど相互作用を起こさない粒子だという仮説がある。その場合、暗黒物質の粒子同士が衝突すると対消滅してガンマ線を放出する。この対消滅が原因であれば、いて座矮小楕円銀河を取り巻く暗黒物質の分布に沿ってガンマ線が観測されるはずだ。

ところが実際には、ガンマ線が強く発せられている領域は銀河の星の分布に沿っていた。これは、ガンマ線の起源が、1～10ミリ秒の周期で高速自転する中性子星・ミリ秒パルサーの活動であることを示唆する結果だ。ミリ秒パルサーの極度な回転エネルギーによって放出された電子が宇宙マイクロ波背景放射の低エネルギー光子と衝突すると、高エネルギーのガンマ線が生成され、これが観測されているのだという。

ヨーロッパ宇宙機関の位置天文衛星「ガイア」が観測した「こと座RR型変光星」のマップ（赤）に、フェルミバブルのガンマ線放射をとらえた画像（青）を重ねたもの。こと座RR型変光星の分布が示すいて座矮小楕円銀河の形と方向が、フェルミバブルの南側にあるガンマ線の明るい下部構造「フェルミバブルのコクーン」の形と完全に一致している（提供：Crocker, Macias, Mackey, Krumholz, Ando, Horiuchi et al. (2022)）

いて座矮小楕円銀河の星は、水素とヘリウム以外の重元素に乏しいことがわかっている。このような環境では、質量あたりのミリ秒パルサーの数が多くなると予想されている。同銀河のガンマ線光度はそうした理論や他の星集団の観測結果とも矛盾しないものであり、約650個のミリ秒パルサーによるものと推測された。