Cloud-9は何者か――M94近傍の水素雲が示す「星を持たない銀河」の可能性

「水素はあるのに、星が見えない」Cloud-9

Cloud-9は、渦巻銀河メシエ94（M94）の近傍にあるコンパクトな中性原子水素（H I）の雲です。通常、これほどのガスが重力で集まれば星形成につながることが期待されます。しかしCloud-9では、対応する恒星成分がほとんど、あるいはまったく見つかっていません。

そのため研究者らは、暗黒物質ハローがガスを保持しているものの、星をほぼ作らなかった「暗黒銀河」の候補として注目しています。とりわけ、宇宙再電離の影響で星形成が抑えられた再電離制限H I雲（Reionization-Limited H I Cloud、RELHIC）の最有力候補です。ただし、RELHICという分類は現時点での観測とモデルに基づく解釈であり、最終的な確証ではありません。23

従来の約10倍深い画像でも恒星光は検出されず

イグナシオ・トルヒーヨらの研究チームは、カナリア大望遠鏡（GTC）に搭載された高速多色カメラHiPERCAMでCloud-9を超深撮像しました。到達した表面輝度の限界は、gバンドで31.4 mag/arcsec²、rバンドで31.0 mag/arcsec²。これは、この領域の従来の深い画像よりおよそ10倍暗い光まで探せる水準です。1

それでも、Cloud-9の中心部にあたる1分角×1分角、距離換算で約1.3×1.3キロパーセク（約4,200光年）の範囲では、淡く広がる恒星光は見つかりませんでした。1

仮に存在するとして最も見えにくい部類の「古く、重元素が少ない」恒星集団を想定すると、恒星の面密度は約0.01太陽質量／平方パーセク以下、総恒星質量は1万6,000太陽質量未満に制限されます。1 これは、個々の星を探した先行ハッブル宇宙望遠鏡の観測とは独立の、総光量に基づく制約であり、その結果とも整合します。12

電波で見えるのは100万太陽質量の中性水素

電波観測によると、Cloud-9はコンパクトで、内部運動が穏やかであり、明瞭な回転も示していません。含まれる中性水素は約100万太陽質量と見積もられています。2

このガスを散逸させずに保つには暗黒物質ハローが必要と考えられ、解釈に用いられるモデルはハロー全体の質量をおよそ50億太陽質量と推定します。ハロー質量を中性水素質量と比べれば、しばしば約5,000対1という比率で表されます。

ただし、この数値は「暗黒物質と通常物質すべて」の比ではありません。通常物質にはヘリウムや電離したガスも含まれるため、これはあくまで暗黒物質ハローと中性水素を比較した値です。

ΛCDMが予測する狭い「生き残り領域」

標準的な宇宙論モデルであるΛCDM（ラムダ冷たい暗黒物質モデル）では、宇宙の再電離が銀河間ガスを加熱し、小さな暗黒物質ハローにはガスが落ち込みにくくなったと考えます。

ハローがCloud-9の想定範囲より大きければ、ガスはより効率よく冷えて星を作るはずです。反対に、ずっと小さければガスを保てない、あるいは失ってしまうと予測されます。Cloud-9は、ガスを保持しながら実質的に星を作らずにいられるという、理論上の狭い「スイートスポット」に位置する可能性があります。23

この意味でCloud-9は、ΛCDMが予測する低質量暗黒物質ハローの集団を観測的に検証する手掛かりになります。

「星がない」は、現時点で見えていないという意味

重要なのは、「星がない」とは、現在の非常に厳しい観測限界でも検出できる星が見つからない、という意味であることです。星が文字通りゼロであることを絶対的に証明したわけではありません。また、暗黒物質ハローの質量もモデルに依存する推定値です。12

DESIイメージング・レガシー・サーベイはすでに、gバンドで約29.15 mag/arcsec²まで可視光対応天体がないことを示していました。3 今後、広い空を調べるH Iサーベイとより深い光学観測が進めば、コンパクトで孤立した、極端に金属量の少ない候補や星のない候補をさらに探せます。Cloud-9がきわめて珍しい生き残りなのか、それとも未発見の集団の第一例なのかが、次の焦点になります。