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X線分光撮像衛星(XRISM)観測成果の科学誌「Nature」論文掲載

2025年(令和7年)2月13日

国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構

 X線分光撮像衛星(XRISM)の観測成果に関する論文が、イギリスの科学雑誌「Nature」に2025年2月13日(日本時間午前1時)に掲載されましたのでお知らせします。

タイトル:

ケンタウルス座銀河団中心部の高温ガスの流れと銀河団の形成過程

原題  :

The Bulk Motion of Gas in the Core of the Centaurus Galaxy Cluster

掲載誌 :

Nature

DOI

10.1038/s41586-024-08561-z外部リンク

概要につきましては、別紙をご参照ください。

【別紙】

ケンタウルス座銀河団中心部の高温ガスの流れと銀河団の形成過程
The Bulk Motion of Gas in the Core of the Centaurus Galaxy Cluster

1. ポイント

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X線分光撮像衛星(XRISM:クリズム)の優れた分光能力により、ケンタウルス座銀河団の中心部に高速で動く高温ガスの流れの存在を世界で初めて発見した。(図1

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観測された高温ガスの運動は銀河団が成長過程で経験した衝突合体の痕跡を直接的に示すものである。

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銀河団中心部の高温ガスの速度構造の直接観測は、数十年来の謎であった銀河団中心部の加熱機構の解明にも繋がる。

2.概要

 私たちが暮らす宇宙は物質同士の間に働く重力等の影響を受けて、絶えず成長し続けています。星の集まりである「銀河」も、銀河の集まりである「銀河団」も暗黒物質(ダークマター)の重力によって形成されます。銀河団内では暗黒物質の強い重力に閉じ込められたガスが摂氏数千万度と非常に高温になりX線を放射しています。銀河団は衝突・合体を繰り返し現在も成長を続けていると考えられていますが、今回初めて、その直接的証拠を、XRISMにより銀河団中心部を観測することで明らかにしました。銀河団の中心部はX線で非常に明るいため、そのX線放射によりエネルギーを放出してガスの温度が下がる(放射冷却現象)はずですが、温度が高く維持されていることが謎となっていました。この温度保持機構の解明の手がかりがガスの速度構造と考えられていましたが、観測装置の精度不足のため、これまで解明に至りませんでした。今回XRISM国際共同研究グループ(XRISM Collaboration、以下「研究グループ」という。)は、この高温ガスの速度構造を測定し、それが銀河団同士の衝突・合体の際に引き起こされる高温ガスの揺れるような動きに対応することを明らかにしました。そしてこの「揺れ」によって高温ガスが攪拌され、銀河団中心部の温度が適切に保たれていることがわかりました。
 今回の高精度観測による高温ガスの速度に関する新事実の発見により、銀河団だけでなく宇宙に存在する様々な天体の形成と進化の理解が大きく前進するものと期待されます。

© JAXA

図1:

ケンタウルス座銀河団中心部の想像図。青みがかった色で高温ガスの流れを示している。
白で示したのは銀河、赤茶色は低温のガスを示す。

3.内容

 宇宙はビックバンで誕生して以来、どのようにして現在のような姿になったのでしょうか。
 私たちが暮らす宇宙には、太陽と惑星の集まりである太陽系や、星の集まりである銀河系のような天体の「群れ」が無数に存在します。このような群れは、宇宙が生まれたときから存在したわけではなく、物質同士の間に働く重力等の影響を受けて、徐々に成長してきました。その途中には、天体同士の衝突や合体のような、激しいイベントが何度も起こったと考えられます。
 このような成長を経て作られた宇宙最大規模の天体が、銀河の集まりである「銀河団」で、そこに含まれる暗黒物質(ダークマター)と呼ばれる未知の物質による巨大な重力によって形成されたと考えられています。また、銀河団には、宇宙誕生直後の大イベントである「ビッグバン元素合成」によって作られた水素やヘリウムのガスも流れ込みます。このガスは、銀河団への落下の衝撃で数千万度の高温ガスとなり、X線で輝きます。一つの銀河団に含まれるガスの質量は、銀河(星)の総質量よりもはるかに大きいため、銀河団の力学的進化を知る上で、高温ガスのX線観測が欠かせません。
 この高温ガスは、銀河団の中心部では、何らかの加熱機構がなければ、やがてX線放射に伴う放射冷却によって冷えていくことが予想されます。しかし、これまでの観測から、その予想に反してガスが高温状態を維持し続けていることが明らかになっていました。そのため、銀河団の高温ガスの温度維持機構を解明することが、宇宙進化史の研究における重要課題の一つに位置づけられてきました。
 研究グループは2023年12月から2024年1月にかけて、XRISMで、地球から比較的近く(約1億光年の距離)にあるケンタウルス座銀河団を観測し、この銀河団中心部の高温ガスの動きを調べました。図2が、XRISMが搭載する軟X線分光装置(Resolve:リゾルブ)によるケンタウルス座銀河団中心部のX線スペクトルです。研究グループは、このスペクトルを分析し、銀河団中心部における高温ガスの動きを詳しく調べました。高温ガスの動きを知るためには、スペクトル上に検出された輝線(図2のスパイク状の構造)のエネルギーを正確に測る(分光する)必要がありますが、従来のX線観測装置では分光能力が足りず、測定を困難にしていました。Resolveは、従来の装置と比べて約30倍の分光性能を持ち、高温ガスの速度測定を得意とします。今回の観測では、ケンタウルス座銀河団の中心部にある高温ガスが毎秒130〜310㎞という速さで地球の方向に流れていることがわかりました(図3)。この流れによって、ガスが攪拌され、銀河団中心部の温度が高温に保たれていると考えられます。

© JAXA

図2:

XRISMに搭載された軟X線分光装置(Resolve)で取得されたケンタウルス座銀河団中心部のスペクトル。背景はチャンドラX線天文衛星が取得した同じ領域のデータを画像化したもの。

© JAXA

図3:

観測された高温ガスの流れの解説図。 ケンタウルス座銀河団の中心に位置しているのがNGC4696銀河。

 研究グループは、観測結果をコンピューターシミュレーションの計算と比較し、「揺れている」高温ガスの動きは過去の銀河団衝突・合体の影響で起こったと判断しました。図4は今回明らかになった高温ガスの動きがどのようにして起こっているのかを示しています。ケンタウルス座銀河団は、これまでも小さな銀河団と衝突・合体しています。今回XRISMが見つけた銀河団内の高温ガスの動きは、銀河団同士の衝突・合体によって中心部のガスが「揺れている」ことを示しています。

© JAXA

図4:

大きな銀河団の高温ガスが小さな銀河団の衝突・合体の影響が中心部まで伝わる様子を示した解説図。

 本研究は、銀河団という宇宙最大の天体の中で起きている高温ガスの動きを、かつてない精度で明らかにし、銀河団が衝突・合体を通じて進化していく過程を示す直接的な証拠を示しました。この発見は、宇宙における最大規模の天体構造の形成と進化の理解を大きく前進させるとともに、銀河団中心部の高温ガスの加熱機構を理解する上で重要な手がかりとなります。今回の高精度観測による高温ガスの速度に関する新事実の発見により、銀河団だけでなく宇宙に存在する様々な天体の形成と進化の理解が大きく前進することが期待されます。

【論文情報】

雑誌名:

Nature

論文タイトル:

The Bulk Motion of Gas in the Core of the Centaurus Galaxy Cluster

著者:

XRISM Collaboration

Marc Audard1, Hisamitsu Awaki2, Ralf Ballhausen3,4,5, Aya Bamba6, Ehud Behar7, Rozenn Boissay-Malaquin4,5,8, Laura Brenneman9, Gregory V. Brown10, Lia Corrales11, Elisa Costantini12, Renata Cumbee4, María Díaz Trigo13, Chris Done14, Tadayasu Dotan15, Ken Ebisawa15, Megan E. Eckart10, Dominique Eckert1, Teruaki Enoto16, Satoshi Eguchi17, Yuichiro Ezoe18, Adam Foster9, Ryuichi Fujimoto15, Yutaka Fujita*18, Yasushi Fukazawa19, Kotaro Fukushima15, Akihiro Furuzawa20, Luigi Gallo21, Javier A. García4,22, Liyi Gu12, Matteo Guainazzi23, Kouichi Hagino6, Kenji Hamaguchi4,5,8, Isamu Hatsukade24, Katsuhiro Hayashi15, Takayuki Hayashi4,5,8, Natalie Hell10, Edmund Hodges-Kluck4, Ann Hornschemeier4, Yuto Ichinohe25, Manabu Ishida15, Kumi Ishikawa18, Yoshitaka Ishisaki18, Jelle Kaastra12,26, Timothy Kallman4, Erin Kara27, Satoru Katsuda28, Yoshiaki Kanemaru15, Richard Kelley4, Caroline Kilbourne4, Shunji Kitamoto29, Shogo Kobayashi30, Takayoshi Kohmura31, Aya Kubota32, Maurice Leutenegger4, Michael Loewenstein3,4,5, Yoshitomo Maeda15, Maxim Markevitch4, Hironori Matsumoto33, Kyoko Matsushita30, Dan McCammon34, Brian McNamara35, François Mernier3,4,5, Eric D. Miller27, Jon M. Miller11, Ikuyuki Mitsuishi36, Misaki Mizumoto37, Tsunefumi Mizuno38, Koji Mori24, Koji Mukai4,5,8, Hiroshi Murakami39, Richard Mushotzky3, Hiroshi Nakajima40, Kazuhiro Nakazawa36, Jan-Uwe Ness41, Kumiko Nobukawa42, Masayoshi Nobukawa43, Hirofumi Noda44, Hirokazu Odaka33, Shoji Ogawa15, Anna Ogorzalek3,4,5, Takashi Okajima4, Naomi Ota45, Stephane Paltani1, Robert Petre4, Paul Plucinsky9, Frederick Scott Porter4, Katja Pottschmidt4,5,8, Kosuke Sato*28,46, Toshiki Sato47, Makoto Sawada29, Hiromi Seta18, Megumi Shidatsu2, Aurora Simionescu12, Randall Smith9, Hiromasa Suzuki15, Andrew Szymkowiak48, Hiromitsu Takahashi19, Mai Takeo28, Toru Tamagawa25, Keisuke Tamura4,5,8, Takaaki Tanaka49, Atsushi Tanimoto50, Makoto Tashiro15,28, Yukikatsu Terada15,28, Yuichi Terashima2, Yohko Tsuboi51, Masahiro Tsujimoto15, Hiroshi Tsunemi33, Takeshi G. Tsuru16, Hiroyuki Uchida16, Nagomi Uchida15, Yuusuke Uchida31, Hideki Uchiyama52, Yoshihiro Ueda53, Shinichiro Uno54, Jacco Vink55, Shin Watanabe15, Brian J. Williams4, Satoshi Yamada56, Shinya Yamada29, Hiroya Yamaguchi15, Kazutaka Yamaoka36, Noriko Y. Yamasaki15, Makoto Yamauchi24, Shigeo Yamauchi45, Tahir Yaqoob4,5,8, Tomokage Yoneyama51, Tessei Yoshida15, Mihoko Yukita4,57, Irina Zhuravleva58, Marie Kondo28, orbert Werner59, Tomáš Plšek59, Ming Sun60, Kokoro Hosogi60, Anwesh Majumder12,61

1Department of Astronomy, University of Geneva, Geneva, Switzerland
2Department of Physics, Ehime University, Matsuyama, Japan
3Department of Astronomy, University of Maryland, College Park, MD, USA
4NASA / Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD, USA
5Center for Research and Exploration in Space Science and Technology, NASA / GSFC (CRESST II), Greenbelt, MD, USA
6Department of Physics, University of Tokyo, Tokyo, Japan
7Department of Physics, Technion, Haifa, Israel
8Center for Space Science and Technology, University of Maryland, Baltimore County, Baltimore, MD, USA
9Center for Astrophysics | Harvard-Smithsonian, Cambridge, MA, USA
10Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA, USA
11Department of Astronomy, University of Michigan, Ann Arbor, MI, USA
12SRON Netherlands Institute for Space Research, Leiden, The Netherlands
13ESO Supernova, Garching bei München, Germany
14Centre for Extragalactic Astronomy, Department of Physics, University of Durham, Durham, DH1 3LE, UK
15Institute of Space and Astronautical Science (ISAS), Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), Kanagawa, Japan
16Department of Physics, Kyoto University, Kyoto, Japan
17Department of Economics, Kumamoto Gakuen University, Kumamoto, Japan
18Department of Physics, Tokyo Metropolitan University, Tokyo, Japan
19Department of Physics, Hiroshima University, Hiroshima, Japan
20Department of Physics, Fujita Health University, Toyoake, Japan
21Department of Astronomy and Physics, Saint Mary’s University, Halifax Nova Scotia, Canada
22Cahill Center for Astronomy and Astrophysics, California Institute of Technology, Pasadena, CA, USA
23European Space Agency (ESA), European Space Research and Technology Centre (ESTEC), Noordwijk, The Netherlands
24Faculty of Engineering, University of Miyazaki, Miyazaki, Japan
25RIKEN Nishina Center, Saitama, Japan
26Leiden Observatory, University of Leiden, The Netherlands
27Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, USA
28Department of Physics, Saitama University, Saitama, Japan
29Department of Physics, Rikkyo University, Tokyo, Japan
30Faculty of Physics, Tokyo University of Science, Tokyo, Japan
31Faculty of Science and Technology, Tokyo University of Science, Chiba, Japan
32Department of Electronic Information Systems, Shibaura Institute of Technology, Saitama, Japan
33Department of Earth and Space Science, Osaka University, Osaka, Japan
34Department of Physics, University of Wisconsin, Madison, WI, USA
35Department of Physics and Astronomy, Waterloo Centre for Astrophysics, University of Waterloo, Waterloo Ontario, Canada
36Department of Physics, Nagoya University, Nagoya, Japan
37cience Research Education Unit, University of Teacher Education Fukuoka, Munakata, Japan
38Hiroshima Astrophysical Science Center, Hiroshima University, Hiroshima, Japan
39Department of Data Science, Tohoku Gakuin University, Sendai, Japan
40College of Science and Engineering, Kanto Gakuin University, Yokohama, Japan
41European Space Agency (ESA), European Space Astronomy Centre (ESAC), Madrid, Spain
42Department of Science, Faculty of Science and Engineering, KINDAI University, Osaka, Japan
43Department of Teacher Training and School Education, Nara University of Education, Nara, Japan
44Astronomical Institute, Tohoku University, Sendai, Japan
45Department of Physics, Nara Women’s University, Nara, Japan
46International Center for Quantum-field Measurement Systems for Studies of the Universe and Particles (QUP) / High Energy Accelerator Research Organization (KEK), Tsukuba, Japan
47School of Science and Technology, Meiji University, Kawasaki, Japan
48Yale Center for Astronomy and Astrophysics, Yale University, New Haven, CT, USA
49Department of Physics, Konan University, Kobe, Japan
50Graduate School of Science and Engineering, Kagoshima University, Kagoshima, Japan
51Department of Physics, Chuo University, Tokyo, Japan
52Faculty of Education, Shizuoka University, Shizuoka, Japan
53Department of Astronomy, Kyoto University, Kyoto, Japan
54Nihon Fukushi University, Shizuoka, Japan
55Anton Pannekoek Institute, University of Amsterdam, Amsterdam, The Netherlands
56RIKEN Cluster for Pioneering Research, Saitama, Japan
57Johns Hopkins University, Baltimore, MD, USA
58Department of Astronomy and Astrophysics, University of Chicago, Chicago, IL, USA
59Department of Theoretical Physics and Astrophysics, Faculty of Science, Masaryk University, Brno, Czech Republic
60Department of Physics and Astronomy, University of Alabama in Huntsville, Huntsville, AL, USA
61Astronomical Institute ‘Anton Pannekoek’, University of Amsterdam, Amsterdam, The Netherlands
*Corresponding Authors

DOI 番号:10.1038/s41586-024-08561-z 外部リンク

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