7月、超現実的な同心円状の幾何学的な段差に囲まれた遠方の極限星系の不可解な新画像が、天文学者たちをも唸らせた。NASAの最新鋭観測装置であるジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が撮影したこの画像は、一種の「宇宙の拇印」のように見えるのだ。

インターネットはすぐに理論や憶測で燃え上がった。荒唐無稽な縁者たちは、これを起源不明の「エイリアン巨大構造物」の証拠と主張さえした。

幸い、私たちシドニー大学の研究チームは、WR140と呼ばれるこの星をすでに20年以上にわたって研究していたので、私たちが見たものを物理学的に解釈するのに最適な立場にあった。

このモデルは、この星がウェッブ画像に見られるまばゆいばかりの環のパターンを作り出す奇妙なプロセスを説明するもので、『ネイチャー』誌に発表された。

WR140の秘密

WR140は、いわゆるウォルフ・ライエ星と呼ばれる恒星だ。この星は、知られている中で最も極端な星の一つで、まれに、太陽系全体の何百倍もの大きさの塵を宇宙空間に放出することがあり、その姿はとても美しい。

ウォルフ・ライエ星の放射場は非常に強く、塵や風は秒速数千キロメートル、つまり光速の約1％の速さで外部に流される。どの星にも恒星風はあるが、これらの星は、恒星ハリケーンのようなものだ。

この風には、炭素などの元素が含まれており、これが流れ出し、塵となる。

WR140は、連星系で見つかった数少ない塵の多いウォルフ・ライエ星の一つだ。この星は、それ自体が猛烈な風を持つ連星系を構成するもう一つの星、青色超巨星と一緒に軌道を回っている。

WR140 のような星系は、銀河系全体でもほんの一握りしか知られていないが、この選ばれた数個が、天文学者に最も予想外の美しい贈り物を提供している。その代わりに、2つの星からの風が衝突する円錐形の領域でのみ、塵が形成されている。

連星は常に公転しているため、この衝撃波の前線も回転しているはずだ。回転するスプリンクラーの噴流と同じように、煤煙は自然に渦巻き状になる。

しかし、WR140は、その派手なディスプレイに、さらに豊かな複雑さを重ねる仕掛けを持っている。2つの星は円軌道ではなく楕円軌道を描いており、さらに連星が最接近したり遠ざかったりすることで、塵の生成が周期的に繰り返されるのだ。

ほぼ完璧なモデル

これらの効果をすべてダストプルームの3次元形状にモデル化することで、3次元空間におけるダストの位置を追跡することができた。

また、世界最大級の光学望遠鏡であるケック天文台（ハワイ）で撮影された拡大流の画像に慎重にタグ付けを行い、拡大流のモデルがデータにほぼ完全にフィットすることを確認した。

ただし、1つだけ残念なことがあった。星のすぐ近くにある塵が、あるはずの場所になかったのだ。そのわずかな誤差を追い求めた結果、これまでカメラに収められなかった現象に行き着いた。

光の力

光には運動量があるため、放射圧と呼ばれる物質への押しつけ作用があることが分かっている。その結果、宇宙を高速で惰性で移動する物質が、いたるところに見られるのだ。

しかし、この現象を実際に捉えるのは非常に難しい。放射圧は距離が離れるとすぐに弱くなるので、加速される物質を見るには、強い放射場で物質の動きを正確に追跡する必要があるのだ。

この加速が、WR140のモデルに欠落している1つの要素であることが判明した。私たちのデータは、膨張速度が一定でなかったためにフィットしなかったが、ダストは放射圧によって加速されたのだ。

それを初めてカメラでとらえたことは、とても新鮮だった。星は軌道を一周するごとに、ダストでできた巨大な帆を広げているようなものだ。ヨットが突風を受けるように、星から降り注ぐ強い放射線を受けると、塵の帆は一気に前へ飛び出すのだ。

宇宙に浮かぶ煙の輪

この物理学の最終結果は、驚くほど美しい。時計仕掛けのおもちゃのように、WR140は8年間の軌道を回るたびに、精密に彫られた煙の輪を吐き出す。

それぞれのリングには、この素晴らしい物理学のすべてが、その形の細部にまで書き込まれている。私たちはただ待つだけで、膨張する風が風船のようにダストシェルを膨らませ、望遠鏡が撮像できる大きさにしてくれるのだ。

そして、8年後、連星は軌道を戻り、前任者の泡の中で成長し、前任者と同じ別のシェルが出現する。シェルは、まるで巨大な入れ子人形のように積み重なっていく。

しかし、この興味深い星系を説明するために、私たちがどの程度正しい幾何学的形状にヒットしたのか、6月に新しいウェッブ画像が到着するまで、私たちは知る由もなかった。

そこには1つや2つではなく、17以上の精巧に作られた殻があり、それぞれが前の殻の中に入れ子になったほぼ完全なレプリカだった。つまり、ウェッブ画像に写っている最も古い殻は、最も新しい殻より約150年前に打ち上げられたということだ。この殻はまだ初期段階にあり、この星系の中心で物理を動かしている明るい星のペアから遠ざかって加速している。

ウォルフ・ライエ星は、その壮大な噴煙と荒々しい花火で、新しいウェッブ望遠鏡によって公開された最も魅力的で複雑なパターンの画像の一つを提供した。

これは、ウェッブ望遠鏡が撮影した最初の画像のひとつだ。この望遠鏡が私たちにどんな新しい驚きを与えてくれるのか、天文学者は皆、ハラハラドキドキしながら待っているのだ。

本記事は、Peter Tuthill氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「Alien megastructures? Cosmic thumbprint? What’s behind a James Webb telescope photo that had even astronomers stumped」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。