天の川銀河の大きさとは？｜直径10万光年の構造と銀河回転の物理

2026年3月12日

夏の夜空を二分するように流れる淡い光の帯、「天の川」。古くから神話の舞台となってきたこの現象ですが、その正体は私たちが住む「天の川銀河（銀河系）」という巨大な星の集団を、内側から見透かした姿です。

この巨大な星の集団は、どれほどのスケールを持ち、どのような仕組みでその形を保っているのでしょうか。天の川銀河の「大きさ」を理解することは、単に巨大な数字を暗記することではありません。それは、宇宙を支配する物理法則が、いかにしてこの巨大な構造を組み立て、維持しているのかを知る過程です。

This illustration shows the Milky Way, our home galaxy. — Image Credit: NASA/JPL-Caltech

天の川銀河の大きさ｜直径10万光年というスケール

天の川銀河の大きさは、円盤の直径でおよそ「10万光年以上」とされています。

光年とは、光が真空中を1年かけて進む距離のことです。光の速さは、秒速約30万キロメートル（地球を1秒間に7周半する速さ）です。この途方もないスピードで飛び続けても、天の川銀河の端から端まで横断するには10万年という歳月がかかります。

厚さに目を向けると、星が密集している円盤部分の厚みはおよそ1000光年です。直径10万光年に対して厚さが1000光年ということは、比率にすると「100対1」になります。これはDVDディスク(直径120mm、厚み1.2mm)と同じ比率です。天の川銀河は、私たちが想像する以上に「極めて薄く、広大な円盤」の構造を持っています。

天の川銀河の距離はどう測る？｜逆2乗の法則とセファイド変光星

ここで一つの疑問が浮かびます。私たちは天の川銀河の内側にいるため、外に飛び出して全体をカメラに収めたり、巨大なメジャーで測ることはできません。いわば「森の中にいながら、森全体の大きさを測る」ような難題です。これを解決したのは、光に関する基礎的な物理法則でした。

夜道を歩いているとき、遠くの街灯ほど暗く見えます。物理学において、光の明るさは「距離の2乗に反比例して暗くなる」という逆2乗の法則に従います。もし、その街灯の「本来の絶対的な明るさ」が最初からわかっていれば、私たちが今見ている「見かけの明るさ（暗さ）」と比較することで、街灯までの距離を正確に逆算できるのです。

天文学者たちは、宇宙空間でこの「本来の明るさがわかる街灯（標準光源）」を見つけ出しました。それがセファイド変光星と呼ばれる特殊な星々です。

この星は、星自体が風船のように膨張と収縮を繰り返すことで、数日〜数十日の周期で明るさが変動します。重要なのは、この「明るさが変化する周期が長い星ほど、本来の明るさも強い」という厳密な物理的関係（周期-光度関係）が成り立っていることです。

つまり、望遠鏡で星の明るさが変化する「周期（時間）」さえ測れば、その星の「本来の明るさ」が判明します。あとは地球から見たときの暗さと照らし合わせ、逆2乗の法則を用いて距離を割り出すのです。天文学者たちは、銀河内に分布するセファイド変光星の距離を測定し、三次元的な分布図を作ることで、10万光年という円盤の広がりを導き出したのです。

なぜ天の川銀河は崩れないのか？｜重力が作る巨大な束縛構造

これほどまでに巨大な構造物が、宇宙空間で四散することなく一つのまとまりを維持できているのはなぜでしょうか。ここには、物理学における最も基本的な法則の一つである万有引力の法則が働いています。

万有引力とは、質量を持つすべての物体の間に働く引き合う力（重力）のことです。天の川銀河には、太陽のような恒星が約2000億から4000億個も存在すると見積もられています。これに加えて、大量の星間ガスや塵、さらには光を発しない正体不明の質量である「ダークマター（暗黒物質）」が、銀河全体を包み込むように存在しています。

これら莫大な質量の総和が生み出す強大な重力が、数千億の星々を互いに繋ぎ止め、10万光年という巨大な重力圏を形成しているのです。銀河の大きさとは、「物質が重力によって束縛されている限界の範囲」と言い換えることもできます。

なぜ天の川銀河は円盤なのか？｜角運動量保存が作る回転構造

では、なぜ天の川銀河は球体ではなく、薄い円盤の形をしているのでしょうか。重力が中心に向かって均等に引っ張る力であるなら、星々は球状に集まるはずです。ここで重要になるのが角運動量保存の法則です。

角運動量保存の法則とは、外部から回転を止めるような力が働かない限り、回転する物体の「勢い（角運動量）」は一定に保たれるという物理法則です。フィギュアスケートの選手が、広げていた腕を体に引き寄せるとスピンの回転速度が急激に上がる現象と同じ原理です。

天の川銀河が形成された初期、それはゆっくりと回転する巨大なガスとダークマターの球状の塊でした。この塊が自身の重力によって収縮を始めると、先ほどのフィギュアスケートの選手のように、小さくなるにつれて回転速度がどんどん速くなっていきました。

回転が速くなると、回転軸に対して直角な方向（赤道方向）には、外側へ向かう遠心力が強く働くようになります。その結果、回転軸の方向（上下方向）には重力によって容易に潰れていく一方で、赤道方向には遠心力が重力に抵抗するため収縮が止まります。

このように、重力による「集まろうとする力」と、角運動量保存の法則が生み出す「回転による遠心力」が力学的に釣り合った結果として、直径10万光年、厚さ1000光年という極めて薄く平らな円盤構造が必然的に生み出されたのです。

衛星COBEが撮影した実際の天の川の写真 — Image Credit: The COBE Project, DIRBE, NASA

太陽系は天の川銀河のどこにある？｜銀河公転と位置

この巨大な円盤の中で、私たちの太陽系はどこに位置しているのでしょうか。太陽系は銀河の中心から約2万6000光年離れた、円盤の中ほどに位置しています。

太陽系もまた、銀河全体の重力に引かれながら、秒速約220キロメートルという猛スピードで銀河の中心の周りを公転しています。それでも、銀河を一周するには約2億2000万年から2億5000万年という途方もない時間がかかります。私たちが現在見ている宇宙の景色は、恐竜が誕生した頃に太陽系がいた場所から一周回って、ようやく戻ってきた位置からの景色なのです。