科学者らは、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）を用いて、星間分子雲の最深部でこれまでで最も冷たい氷を観測・測定した。この氷の温度は摂氏マイナス263度で、結果は『Nature Astronomy』に1月23日付けで発表された。

分子雲は、凍った分子、ガス、塵から構成され、星や惑星（我々のような居住可能な惑星を含む）の誕生の場となる。今回、科学者チームはJWSTの赤外線カメラを用いて、地球から約500光年離れたChameleon Iと呼ばれる分子雲を調査した。

この暗く冷たい雲の中から、研究チームはカルボニル硫黄、アンモニア、メタン、メタノールなどの凍結した分子を特定した。これらの分子は、いつの日か成長する星の高温核の一部となり、将来の太陽系外惑星の一部となる可能性があるという。また、炭素(C)、酸素(O)、水素(H)、窒素(N)、硫黄(S)からなるCOHNSと呼ばれる分子カクテルは、ハビタブルワールドの構成要素である。

「この結果は、惑星が形成されるセンチメートルサイズの小石に成長する星間ダストの氷が形成される初期の暗黒化学段階についての洞察を与えるものです」と、オランダのライデン天文台の天文学者Melissa McClure氏は声明で述べている。

星や惑星は、Chameleon Iのような分子雲の中で形成される。ここで何百万年もかけて、ガスや氷、塵が崩壊し、より巨大な構造体になるのだ。これらの構造の一部は加熱され、若い星の核となる。星が成長するにつれて、星はより多くの物質を吸い上げ、ますます高温になる。星が形成されると、その周りに残ったガスや塵が円盤を形成する。もう一度、これらの物質が衝突を始め、互いにくっつき、やがて大きな天体を形成する。この塊がいつか惑星になるかも知れない。

「これらの観測は、生命の構成要素を作るのに必要な単純な分子と複雑な分子の形成経路について、新しい窓を開くものです」とMcClure氏は述べている。

Chameleon Iの分子を特定するために、研究者たちは分子雲の向こう側にある星からの光を用いている。この光は、分子雲の中にある塵や分子に特徴的な形で吸収される。この吸収パターンを、実験室で決定された既知のパターンと比較することができるのだ。

研究チームは、具体的には特定できないが、より複雑な分子も発見した。しかし、この発見は、複雑な分子が、成長する星によって使い果たされる前に、分子雲で形成されていることを証明するものである。

「メタノールや潜在的にエタノールのような複雑な有機分子の同定は、この特定の雲で発達する多くの星や惑星系が、かなり進んだ化学状態の分子を受け継ぐことを示唆しています」と、研究の共著者であるライデン天文台の天文学者Will Rocha氏は声明で述べている。

今回、硫黄を含む氷「硫化カルボニル」を検出したことで、氷のような恒星前の塵の粒に含まれる硫黄の量を初めて推定することに成功した。測定された量はこれまでの観測よりも多いのですが、それでもこの雲の密度から予想される総量よりも少ないのです。このことは、他のCHONS元素についても同様だ。これらの元素が、氷や煤のような物質、あるいは岩石の中のどこに隠れているのかを知ることは、天文学者にとって重要な課題である。それぞれの物質の中にどれくらいの量のCHONSが含まれているかによって、これらの元素がどの程度太陽系外惑星の大気中に存在し、どの程度内部にまで浸透しているかが決まるのだ。

「私たちが期待するすべてのCHONSが見られないということは、私たちが測定できない岩石や煤のような物質に閉じ込められているということかもしれません。これは、地球型惑星のバルク組成の多様性を可能にするかもしれません。」と、McClure氏は説明する。

この研究チームの研究者たちは、若い星に関する印象的なデータを発見する上で、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が重要な役割を果たしたことを強調した。「ウェッブなしでは、これらの氷を観測することはできなかったのです。」と、ボルチモアの宇宙望遠鏡科学研究所のウェッブ・プロジェクト・サイエンティストである共同研究者のKlaus Pontoppidan氏は語った。

今回のChameleon Iの氷を探すことは、「氷河期プロジェクト（Ice Age Project）」と呼ばれるプログラムの一部で、天文学者は、冷たい分子雲の「暗黒化学」から、新しくできた太陽系のはずれにある彗星の一生まで、氷に何が起こるかを追跡することを期待している。JWSTは、このようなデータ収集の大部分を支援する。

「この観測によって、どの氷の混合物、つまりどの元素が最終的に地球外惑星の表面に運ばれるか、あるいはガス惑星や氷惑星の大気に取り込まれるかがわかるでしょう」とMcClure氏は述べている。

星間物質の中にある氷、特に水の探索は、他の研究チームによっても進められている。

論文

• Nature Astronomy: An Ice Age JWST inventory of dense molecular cloud ices

参考文献

• NASA: Webb Unveils Dark Side of Pre-stellar Ice Chemistry
• ESA: Webb unveils dark side of pre-stellar ice chemistry

研究の要旨

氷のマントルは、暗い星間雲での化学過程と惑星の形成や大気組成を結びつける揮発性元素の主要な貯蔵場所である。氷の組成は、星形成が始まる前の、分子雲の低温・高密度の部分に初期設定される。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の絶妙な感度により、この氷の進化の重要な段階を詳細に研究することができるようになった。ここでは、初期リリース科学プログラム「Ice Age」の初期結果を紹介し、これらの高密度雲氷の豊富な組成を明らかにする。¹³CO₂、OCN⁻、¹³CO、OCS、そして複雑な有機分子の官能基を含む弱い氷の特徴が、現在2つの恒星前の視線に沿って検出されている。¹²CO₂の氷のプロファイルは、氷の粒が緩やかに成長していることを示している。主要な氷と小さな氷の列密度は、氷が主要なC, O, N, S元素のバルク予算の2%から19%に寄与していることを示している。この結果は、単純な分子と複雑な分子の形成が、水に富む氷の環境で早期に始まった可能性を示唆している。