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ALMAが原始惑星系円盤の次世代画像を撮影

チリのアンデス山脈に位置するヨーロッパ南天天文台(ESO)アタカマ大型ミリ波/サブミリ波干渉計(ALMA)は、66台の高精度アンテナで構成され、電波と赤外線の間の光を観測することに特化している。ALMAは、特に冷たい天体を観測することに長けており、近年では原始惑星系円盤やその中で形成されつつある惑星の驚くべき科学的に重要な画像を撮影している。

ALMAが最近撮影した画像は、これまでのものを凌駕するものである。太陽系や惑星の形成と進化はALMAの主要な研究対象の一つであり、特に若いTタウリ型星とその原始惑星系円盤の画像撮影で名声を博している。これらの画像は、天文学者が若くまだ形成途中の惑星によって作られたと考えられる隙間を示している。

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ALMAの高解像度の原始惑星系円盤の画像は、Disk Substructures at High Angular Resolution Project(DSHARP)からのものである。この観測所は、このような円盤を探すために頻繁に使用されている。(Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al.; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello)

新しい研究では、天文学者のチームが一つの原始惑星系円盤をより深く調査し、円盤内の塵粒子からの光の偏光を測定した。これはALMAが円盤の偏光を研究する初めての事例ではないが、この画像は他のどの円盤よりも10倍多くの偏光測定に基づいており、ほとんどの円盤よりも100倍多い。

研究論文は「Aligned grains and scattered light found in gaps of planet-forming disk」と題され、『Nature』誌に掲載されている。主執筆者は、アメリカ合衆国マサチューセッツ州ウースターのウースター州立大学地球・環境・物理学部の助教授である Ian Stephens氏である。

原始惑星系円盤内の塵の偏光を測定することの利点は何か?これにより、塵粒子のサイズや形状などの基本的な特性が明らかになる。これらの特性は、どのように塵が振る舞い、最終的に惑星を形成するかに何らかの影響を与える。

原始惑星系円盤では多くのことが起こっているが、それが全て展開するのには数百万年かかる。科学者たちは、おうし座HL星のような若い円盤が成熟し、安定すると考えている。最終的には、惑星が共鳴し合ったり、一部の惑星が移動したりして、私たちの太陽系のように安定する可能性が高い。

おうし座HL星は、地球に最も近いかもしれない星形成領域、おうし座分子雲にある約450光年の距離にある。おうし座HL星を含むTMCの星々はすべて、およそ100万年か200万年しか経っていない。その年齢では、星の周りの円盤は惑星を形成し始めたばかりであるはずで、それがALMAがこの星を研究している理由である。

そして、これは初めてのことではない。実際、ALMAがこれまでに捉えた最もシャープな画像はおうし座HL星であった。

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これはALMAによって撮影された最も鮮明な画像であり、NASA/ESAのハッブル宇宙望遠鏡で通常達成される可視光よりも鮮明である。この画像は、若い星HLタウリを取り巻く原始惑星系円盤を示しており、このような若い星の観測により、以前は見られなかった円盤内のサブストラクチャが明らかになる。これらは、システム内の暗い部分で形成されている可能性のある惑星の位置を示しているかもしれない。 (Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO))

新しい研究では、Stephens氏とその同僚たちは、おうし座HL星をさらに深く探るために、塵の偏光に焦点を当てた。惑星がどのように形成されるかについてはまだ多くのことがわかっていないが、偏光は他の観測では得られないプロセスの手がかりを提供するかもしれない。塵の偏光は、他の方法では明らかにならないHLタウリの円盤の基本的な構造についての情報を明らかにする可能性がある。

時間とともに、円盤内の塵粒子は互いにくっつき始める。このプロセスは続き、最終的には微惑星体が形成され、その後惑星が形成される。HLタウリとその円盤には独自の磁場があり、科学者たちはその磁場が塵粒子の整列やより大きな構造への集積にどのように影響するかを考えている。しかし、偏光測定により、塵は磁場と整列していないことが示されている。

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この研究からの図は、HLタウリの偏光形態を示している。粒子の偏光はシステムの磁場と一致していない。 (Credit: Stephens et al. 2023)

代わりに、偏光は粒子の形状に由来する。粒子は丸くなく、伸長した球体のような形状(長球形)をしている可能性があり、それによって光を偏光させることができる。これにより、粒子のサイズと形状が制約され、それが粒子の凝集方法に影響を与える可能性がある。

ALMAの画像はまた、原始惑星系円盤の一方の側が他方よりも偏光していることを示している。これは、塵の分布の非対称性や、一方の側で粒子の特性が異なることによる可能性があるが、まだ明確な答えはない。

画像は別の驚きも明らかにした。隙間内の塵の偏光は、そこに塵が少ないにもかかわらず、より方位角的である。これは、隙間内の塵がより整列していることを示唆している。隙間は惑星が形成される場所である。塵の特性は惑星形成を反映しているのか、それともそれを説明するのに役立っているのか?リング自体の偏光はより均一であり、これは偏光が散乱によるものであることを示しており、複雑さを増している。

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この研究からの図は、HLタウリの円盤の偏光率(左)と偏光強度(右)を示している。偏光率は通常、リングよりも隙間でかなり高く、偏光強度も隙間で頻繁に高い。 (Credit: Stephens et al. 2023.)

全体として、偏光には二つの原因がある:散乱と塵の整列。しかし、画像やデータからは、塵がどのようにしてそのように整列するのかは明らかではない。塵が磁場と整列している可能性は低いが、不思議なことに、原始惑星系円盤の外側の塵は通常そうである。現在の考え方では、整列は磁気的な原因ではなく、機械的な原因によるものである可能性がある。これは星の周りの運動によるものかもしれないが、まだ明確な合意はない。

この研究は、若い星の周りの円盤での惑星形成に関する私たちの疑問に明確な答えを提供していない。しかし、おうし座HL星の円盤はその年齢にしては高度に進化しているように見える。おそらく100万年以上の年齢ではないが、惑星形成を示す特徴的なリングと隙間がすでに現れている。

以前の研究、同じくウースター州立大学Stephen氏が主導したものでは、おうし座HL星の複雑な磁場による急速な降着率が示唆されている。「予期せぬ形態は、Tタウリ型星の降着における磁場の役割が、現在の理論的理解よりも複雑であることを示唆している」とStephenス氏とその同僚たちはその研究で述べている。

残念ながら、この優れたALMAの画像でさえ、私たちの疑問は未解決のままである。しかし、これはただの一つの円盤に過ぎない。結果は、原始惑星系円盤の偏光の高解像度画像が、それ以外では隠された詳細を明らかにすることを示している。おうし座HL星のような若いTタウリ型星の周りのより多くの円盤のこれらの画像が必要である。

大規模なサンプルサイズを持つことで、科学者たちはより多くの進歩を遂げるかもしれない。


この記事は、EVAN GOUGH氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。

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