天の川の中心にあるセファイド変光星を世界で初めて発見－銀河の中心で数千万年ごとに起こるベビーブームを示唆－

2011年8月25日

河津氏

　河津飛宏氏(理学研究科物理学・宇宙物理学専攻修士課程修了)、長田哲也理学研究科教授（物理学・宇宙物理学専攻）らの研究グループの研究成果が、科学誌「Nature」の電子版で2011年8月24日（日本時間25日）に公開されました。

【論文情報】
タイトル： "Three classical Cepheid variable stars in the Nuclear Bulge of the Milky Way"（天の川銀河の中心部に見つかった3つの古典的セファイド変光星）
著者： Matsunaga, N., Kawadu, T., Nishiyama, S., Nagayama, T., Kobayashi, N., Tamura, M., Bono, G., Feast, M. W. & Nagata, T.
Nature, 2011

　本研究には、本学以外に、東京大学、自然科学研究機構国立天文台、名古屋大学、およびイタリア・ローマ大学と南アフリカ・ケープタウン大学の研究者が参加しました。

研究の概要

　天の川の中心（以下、銀河系中心と呼びます）を、名古屋大学が本学や国立天文台等とともに南アフリカ天文台の協力のもとに運用しているIRSF望遠鏡を使って観測し、3つの「セファイド変光星」を発見しました。その性質から、銀河系中心での星形成の歴史を探った結果、7000万年前から3000万年前にはあまり星が生まれず、今から2500万年前の頃に活発な星形成があったことを明らかにしました。

銀河系中心の星形成

　銀河系中心は、大質量ブラックホールや大量のガス、非常に密集した星の大集団などが混在していて、天文学でもっとも重要な場所の一つです。私たちは、「セファイド変光星」という天体がその中心領域に存在することを世界で初めて見つけることに成功しました。これは、銀河系中心に対して赤外線、電波、X線などで様々な観測が1960年代以降行われ続けたにもかかわらず見つかっていなかったものです。さらに、セファイド変光星の周期性から年齢がわかるという特徴を利用し、銀河系中心でいつ星が作られたかという歴史を調べました。その結果、7000万年前から3000万年前にはあまり星が作られず、今から2500万年前あたりで活発に星が作られたことがわかりました。銀河系中心で数千万年ごとに星のベビーブームが起きていることを示唆する結果です。今回の発見は、銀河の中心で起こる星形成の歴史に新たな視点で迫るものであると同時に、なぜ星の作られるペースが変化するのか、星を作る原料となるガスがどのように銀河系中心に供給されるかなど、多くの謎を投げかけるものです。

研究の背景

　銀河ではどのように多くの星が作られるのでしょうか。大量のガスが集まる場所で星が作られますが、いつどのようにしてガスを集め、どのような星がどれだけ作られたのかを探ることが銀河の進化を探るための重要なカギとなります。特に、銀河の中心領域のように特殊な環境でどのように星が作られてきたのかについては多くの研究が行われていますが、未解明の課題が数多く残っています。私たちの太陽系を含む銀河系の中心は、いて座の方向にあり、特に1960年代以降には様々な方法で観測が行われてきました。しかし、一般に星の年齢を推定することは容易ではなく、どのように星が作られてきたかという詳細な歴史はわかっていませんでした。

　そこで私たちはセファイド変光星という、周期的に明るさの変わる星に着目しました。その周期と星の年齢との間には関係があり、周期を知ることでそれぞれの星が何万年前に生まれたのか推定することができます。銀河系中心にセファイドを見つけられれば、その場所でいつどのように星が作られてきたか調べることが可能です。しかし、大量の星間塵にさえぎられている銀河系中心を見ることは容易ではなく、これまでセファイド変光星は見つかっていませんでした。

観測とその結果

　そこで、私たちは8年間（2001～2008年）にわたって、銀河系中心の方向を、星間塵の影響を受けにくい近赤外線で、繰り返し観測しました。観測には、名古屋大学と国立天文台が南アフリカに建設した口径1.4mのIRSF望遠鏡とSIRIUS近赤外線カメラを使用しました。中心となったデータは、河津氏が2005年6月～10月と2006年4～10月におよそ100夜にわたって、寒い南アフリカ天文台の観測室で取得したもので、本学に提出した修士論文としてまとめられています。

　観測データを解析した結果、画像に写っている10万個近くの星の中に3個のセファイド変光星を検出しました（図1）。星の明るさから見積もった距離（約2万5千光年）も銀河系中心までの値と一致しており、世界で初めて銀河系中心に存在するセファイド変光星を発見することができました。

　しかも、今回我々の見つけたセファイド変光星の周期は、いずれも20日に近い値でした（図2）。このように同じ周期の変光星ばかりが集中して見つかることは、まったく予想していませんでした。上に述べたセファイド変光星の周期と年齢の関係を考えるとこれらの星の年齢は約2500万歳で、2500万年前にその場所で星が作られたことがわかります。一方、それより短周期のセファイド変光星が見つからなかったことは、3000～7000万年前に生まれた星の少ないことを示しています。銀河系中心に対して、このように数千万年前の星形成の歴史を詳しく調べることができたのは初めてのことです。

成果の意義

　今回の研究結果は、数千万年のタイムスケールで星の形成がさかんになったり不活発になったりすることを示唆しています。繰り返し訪れる「星のベビーブーム」といえるでしょう。このような星形成の変化はどうして起こるのでしょうか。星の材料となるガスは、銀河の円盤部の外側から銀河の中心へ運ばれます（つまり落ちていきます）。しかし、きれいな円盤状に回転するガスが落ちていくことはほとんどありません。一方、棒状構造のように、単純な円盤から外れた構造によって、ガスが中心部へ落ちるというメカニズムが考えられています。このようなガスの運動に関する研究の結果、数千万年に一度の割合でガスが偶発的に落ちるということが示唆されています。そのタイムスケールは、今回私たちが明らかにした星形成の変化のタイムスケールと同じ程度で、両者が密接に関連していることを示唆しています。今回発見された天体をさらに調べることで、銀河の中心部での星形成を促すメカニズムについて、より詳しく調べられると期待されます。

参考図

図1：銀河系中心領域の近赤外線画像と、今回発見したセファイド変光星
おびただしい数の星の中に、規則正しく明るさを数十％変化させる3つの星が、円で囲んだ場所に見つかった。

図2：発見したセファイドの周期と、これまでに銀河系で見つかっていたセファイドの周期分布
セファイドはさまざまな周期を持つが、今回発見したものは20日程度に集中している。