宇宙の大規模構造

宇宙の大規模構造とは、宇宙論において、観測可能な宇宙全体のスケールでの物質分布の特性を表す用語である。 電磁放射のさまざまな波長帯（特に21cm放射）のスカイサーベイとマッピングにより、宇宙の構造の内容と特性に関する多くの情報が得られている。構造の組織は、超銀河団やフィラメントのスケールまで組織化された階層モデルに従っているように見える。これより大きいスケール（30～200メガパーセクのスケール）では、^{[ 1 ]}連続した構造は存在しないようで、この現象は「偉大さの終わり」と呼ばれている。^{[ 2 ]}大規模構造の形状は、物質パワースペクトルによって要約できる。

構造の組織化は、おそらく恒星レベルから始まるが、ほとんどの宇宙論者はそのスケールでの天体物理学を扱うことはめったにない。恒星は銀河に組織化され、銀河はさらに銀河群、銀河団、超銀河団、シート、壁、フィラメントを形成し、それらは巨大な空隙によって隔てられ、時に「宇宙の網」と呼ばれる巨大な泡のような構造^{[ 5 ]}を形成する。1989年以前は、ビリアル化した銀河団が現存する最大の構造であり、宇宙全体にほぼ均一に分布していると一般的に考えられていた。しかし、1980年代初頭から、ますます多くの構造が発見されている。1983年、エイドリアン・ウェブスターは、 5つのクエーサーからなる大きなクエーサー群であるウェブスターLQGを特定した。この発見は、大規模構造の最初の特定であり、宇宙における物質の既知のグループに関する情報を拡大した。

1987年、ロバート・ブレント・タリーは、天の川銀河が存在する銀河フィラメントであるうお座・くじら座超銀河団複合体を特定した。これは約10億光年の幅を持つ。同年、銀河の分布が平均よりはるかに低い異常に大きな領域である巨大ボイドが発見された。これは13億光年の幅を持つ。1989年、マーガレット・ゲラーとジョン・ハクラは、赤方偏移調査データに基づいて、 「万里の長城」^{[ 6 ]}を発見した。これは長さ5億光年以上、幅2億光年、厚さわずか1500万光年の銀河のシートである。この構造の存在が長い間見過ごされてきたのは、銀河の位置を3次元で特定する必要があり、そのためには銀河の位置情報と赤方偏移からの距離情報を組み合わせる必要があるためである。

2年後、天文学者のロジャー・G・クロウズとルイス・E・カンパサーノは、クロウズ・カンパサーノLQGを発見した。これは、最も広い部分で20億光年の大きさを持つ巨大なクエーサー群で、発表当時は宇宙で知られている最大の構造だった。2003年4月には、別の大規模構造であるスローン・グレート・ウォールが発見された。2007年8月には、エリダヌス座でスーパーボイドの可能性が検出された。^{[ 7 ]}これは、現在有力な宇宙論モデルでは極めてあり得ないマイクロ波空の低温領域である「CMBコールドスポット」と一致する。このスーパーボイドはコールドスポットを引き起こす可能性があるが、そのためにはあり得ないほど大きく、おそらく10億光年もの幅があり、前述の巨大ボイドとほぼ同じ大きさでなければならない。

もう一つの大規模構造はSSA22原始銀河団で、銀河と巨大なガスバブルの集まりであり、直径は約2億光年にも及ぶ。

2011年に、直径約25億光年の巨大クエーサー群U1.11が発見されました。2013年1月11日には、別の巨大クエーサー群であるHuge-LQGが発見され、直径40億光年と測定され、当時宇宙で知られている最大の構造でした。^{[ 8 ]} 2013年11月には、天文学者たちは、前述の2倍の大きさのさらに大きな構造であるヘルクレス座-かんむり座グレートウォールを発見しました。^{[ 9 ] [ 10 ]}これはガンマ線バーストのマッピングによって定義されました。^{[ 9 ] [ 11 ]}

2021年、アメリカ天文学会は、スローン・デジタル・スカイサーベイの観測によって地球から92億光年離れたうしかい座に位置する、長さ33億光年の三日月形の銀河の連なりである巨大弧の発見を発表した。^{[ 12 ]}

偉大さの終わりとは、宇宙の大規模構造に見られる不均一性が宇宙論的原理に従って均質化され等方化される、約 100 Mpc (約 3 億光年) の観測スケールに時折付けられる名称である。^{[ 13 ]}この「不均一性」は、観測からフラクタル次元を計算することによって定量化される。^{[ 14 ] [ 15 ]}より小さなサーベイで見られる超銀河団やフィラメントは、宇宙の滑らかな分布が視覚的に明らかになる程度にランダム化されている。このスケールを正確に観測できるようになったのは、1990 年代の赤方偏移サーベイが完了するまでなかった。 ^{[ 2 ]} 

大規模構造のもう 1 つの指標は「ライマン アルファ フォレスト」です。これは、クエーサーからの光スペクトルに現れる吸収線の集合で、巨大で薄い銀河間 (主に水素) ガスシートの存在を示すものと解釈されています。これらのシートはフィラメントに収縮し、フィラメントが交差したり密度が高い場所では、銀河が成長する際にガスを供給する可能性があります。この宇宙のガス網の初期の直接的な証拠は、2019 年に日本の理化学研究所の先駆的研究クラスターと英国のダラム大学の天文学者によって、形成中の銀河団を取り囲み、照らしているこの網の最も明るい部分からの光が検出されたことであり、銀河団はライマン アルファ放出による銀河団間媒体の水素蛍光の宇宙の懐中電灯として機能しています。^{[ 17 ] [ 18 ]}

2021年、リヨン天体物理学研究センター（フランス）のローランド・ベーコン率いる国際チームは、赤方偏移3.1から4.5までの拡散したライマンアルファ放射の最初の観測結果を報告した。この放射は、ウェブノードに典型的な巨大構造の外側のフィラメント状環境において、2.5～4 cMpc（共動メガパーセク）のスケールでいくつかの宇宙ウェブフィラメントを追跡した。^{[ 19 ]} 

宇宙規模の構造を記述する際には、注意が必要である。なぜなら、それらはしばしば見かけとは異なるからである。重力レンズ効果によって、前景の天体が周囲の時空を歪ませ（一般相対性理論の予測どおり）、通過する光線を偏向させることで、像が実際の発生源とは異なる方向から発せられているように見えることがある。非常に有用なことに、強い重力レンズ効果は遠方の銀河を拡大し、検出を容易にすることがある。また、介在する宇宙による弱い重力レンズ効果も、観測される大規模構造を微妙に変化させる。

銀河までの距離を赤方偏移のみで測ると、宇宙の大規模構造も異なって見える。例えば、銀河団の後ろにある銀河は銀河団に引き寄せられてその方向に落下するため、 （銀河団がない場合と比べて）青方偏移する。一方、銀河団に近い側では、天体は赤方偏移する。そのため、距離を赤方偏移で測ると、銀河団の周囲はやや縮んで見える。銀河団の中に既に存在する銀河では、これとは逆の効果が見られる。銀河は銀河団の中心の周りをランダムに運動しており、このランダムな運動を赤方偏移に変換すると、銀河団は細長く伸びて見える。これが「神の指」と呼ばれる現象、つまり地球に向かって伸びる長い銀河の鎖のように見える錯覚を生み出す。

ヒドラ・ケンタウルス超銀河団の中心には、グレート・アトラクターと呼ばれる重力異常があり、数億光年にわたる領域で銀河の運動に影響を与えています。これらの銀河はすべてハッブルの法則に従って赤方偏移しています。これは、銀河が私たちからも互いからも遠ざかっていることを示していますが、赤方偏移の変動は、数万個の銀河に相当する質量の集中が存在することを明らかにするのに十分です。

1986年に発見されたグレート・アトラクターは、うみへび座とケンタウルス座の方向に、地球から1億5000万光年から2億5000万光年の距離に位置している。その周辺には、巨大で古い銀河が多数存在し、その多くは近隣の銀河と衝突したり、大量の電波を放射したりしている。

1987年、ハワイ大学天文学研究所の天文学者R・ブレント・タリーは、彼が「うお座・くじら座超銀河団複合体」と呼ぶものを特定した。これは長さ10億光年、幅1億5000万光年の構造で、その中に局所超銀河団が埋め込まれていると彼は主張した。^{[ 20 ]}

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