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惑星が誕生する瞬間を見る

自然界では複製はほとんど作られず、惑星は雪の結晶のように互いに異なる。しかし、惑星はみな、若い星を取り巻く渦巻く円盤状の物質という、同じ環境から出発している。アルマ望遠鏡は、このような円盤と、まだ形成途中の若い惑星によって掘られた特徴的な隙間の撮像に大きな進歩を遂げた。

しかし、ALMA(アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計)からの新しい画像は、非常に若い星と円盤を示している。これは惑星が形成され始める瞬間なのだろうか?

星が最初にできて、その後に惑星ができる。星は巨大分子雲と呼ばれる星間ガスの雲の中で形成される。最初は若い原始星が回転を始め、ガスと塵のパンケーキのような円盤がそれに続く。この回転する原始惑星系円盤には、惑星を形成する材料が含まれている。円盤の内部では、物質が原始惑星や準惑星にまとまり始め、円盤にレーンが掘られる。原始惑星系円盤が正しい視角にあるとき、望遠鏡によっては、惑星そのものではないにせよ、この広がりつつあるレーンを見つけることができる。

円盤の内部を見るのは難しい。膨大な量の塵が光のほとんどを消してしまうからだ。しかし、欧州南天天文台のアルマ望遠鏡は、これらの円盤からのわずかな光を感知するために作られた。望遠鏡の名前からも明らかなように、ALMAは赤外線と電波のほぼ中間に位置する1ミリメートル前後の光の波長を観測する。

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この画像は、アルマ望遠鏡が長年にわたって撮影してきた数多くの原始惑星系円盤のうちの4つを示している。円盤のそれぞれの隙間は、おそらく惑星を形成しているのだろう。 (Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) S. Andrews et al.; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello)

惑星形成を理解するためのルートは、塵の中を通り抜ける。塵の粒の物理的性質は、惑星がどのように形成されるか、またどのようなタイプが形成されるかに大きな役割を果たす。この新しい研究では、アルマ望遠鏡の観測を用いて、若い原始星おうし座DG星(DG Tau)の周りの円盤の特徴を明らかにした。おうし座DG星は「…塵円盤の初期段階を研究するための最も有望なターゲットのひとつである」と、研究では述べられている。

研究タイトルは「アルマ望遠鏡トリプルバンド周波数観測によって明らかにされた、おうし座DG原始星の周りの滑らかな円盤における塵の濃縮と粒子の成長」で、The Astrophysical Journal誌に掲載された。主著者は、国立天文台 アルマプロジェクト 国立天文台フェローの大橋聡史氏だ。

原始惑星系円盤とそれが生み出す惑星を理解する上で重要なのは、円盤中の塵の粒の大きさと分布である。そのため、おうし座DG星の周りにあるような、惑星のない滑らかな円盤を見つけることは、惑星が最終的にどのように形成されるのか、またどのように異なる種類の惑星が異なる場所で形成されるのかを理解する上で重要である。

「アルマ望遠鏡はこれまで、多種多様な円盤構造を捉えることに成功し、惑星の存在を明らかにしてきました。一方、”惑星形成はどのように始まるのか?”という疑問に答えるためには、惑星形成の兆候のない滑らかな円盤を観測することが重要です。今回の研究は、惑星形成の初期条件を明らかにするものであり、非常に重要だと考えています」と大橋教授は語った。

「おうし座DG星円盤のユニークな点は、星形成初期における円盤構造の滑らかな形態です」と研究者たちは説明する。最近のアルマ望遠鏡の画像から、原始惑星系円盤にはリング、スパイラル、クレセントなど様々な構造があることが分かっている。「対照的に、おうし座DG星の円盤は、円盤の質量、塵の大きさ、乱流の強さがおうし座HL星のような他のものと似ているにもかかわらず、重要な部分構造を示さない」。おうし座HL星は、惑星形成を示す隙間やリングを示し、正確に撮像された最初の原始惑星系円盤の一つであることで、天文学では広く知られている。

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このおうし座HL星の初期のALMA画像は、若い星を取り巻く原始惑星系円盤を示している。この観測は、これまで見られなかった円盤内の部分構造を明らかにし、さらに系内の暗い斑点に惑星が形成される可能性のある位置を示している。おうし座DG星はこれらの特徴の一つを示している。(Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO))

おうし座DG星の円盤にはリングも隙間もなく、惑星はまだ形成されていないと結論づけられた。「このことは、おうし座DG星の円盤がまだ惑星形成の初期段階にあることを示唆している。

研究チームがおうし座DG星の周りの塵を測定した方法のひとつに、極性がある。極性は天文学者にとって重要なツールである。塵の粒は球形ではないので、星間磁場と一直線に並ぶ傾向がある。このアライメントがダストを通過する星光を偏光させ、ポラリメトリーによってダストの構造の一部を明らかにすることができる。偏光測定によって、研究者たちはダストの表面密度、温度、粒径を測定することができた。

DG Tau disk distribution
この図は研究結果の一部を示している。研究者たちは、おうし座DG星の円盤は大きな隙間やリング状の部分構造を持たない滑らかな構造であることを発見したが、強度の勾配はr = 45 au付近で変化している。彼らのモデルは、この位置でダストのサイズと表面密度が変化することを示唆している。この線を超えると、複雑な有機分子が見つかるかもしれない。 (Credit: Ohashi et al. 2023.)

彼らは何を見つけたのか?

おうし座DG星の円盤は滑らかで薄い。約40から45天文単位で、ダストの大きさと分布が変化する。これは一酸化炭素の雪線によるものと考えられ、その線を超えるとダストの大きさが大きくなる。研究者たちは、CO霜線の内側では、凍ったCO分子はCO2分子よりも「粘着性が高い」ためだと考えている。そのため、このラインを超えると、凍ったCO2分子の表面に複雑な有機分子(COM)が形成される可能性がある。

COMは通常、6個以上の原子を持つ炭素を含む分子と定義される。これらのCOMが、地球のような炭素ベースの生命の出現にどのような役割を果たすかについては、熱い議論が交わされているが、生命に必要な複雑な化学反応に一役買っていることは間違いない。40~45天文単位(AU)のラインを超えて発見されたことが、非常に若い円盤において何を意味するのかを結論づけるのは早計だが、興味深いことは間違いない。

科学者たちは、COは惑星形成に必要であると考えており、若い原始惑星系円盤でそれを見つけ、理解することは重要である。その重要性は、生命を育む可能性のあるCOMがその凍った表面に形成される傾向があることから、さらに高まる。COの霜ラインは、水の霜ラインや他の化合物の霜ラインと同様に、おうし座DG星系が進化するにつれて移動する。我々の太陽系の水の霜ラインは現在約5天文単位にあるが、太陽系が形成された時は火星と木星の間で約2.7天文単位にあった。

おうし座DG星のCO霜ラインと太陽系の他の霜ラインは、時間とともに移動するだろうが、いつ、どの程度移動するかは未解決の問題である。それらの位置は、形成される惑星の種類に影響を与え、有機化合物の存在に影響を与える可能性がある。そのため、この星系とその滑らかな円盤を発見することは、科学者たちにすっきりとした出発点を与えることになる。原始星の成長、円盤の進化、惑星の形成をプロットすることができる。(人類が十分に長く存続すればの話だが)。

形成される惑星はそれぞれ、他の惑星とは異なる。そして、そのひとつひとつが生命のチャンスなのだ。数十億年の間、泥と泥沼の中に現れ、停滞するだけでなく、最終的には複雑な進化を遂げる。そうして私たちはここにたどり着いたのだ。

地球のような惑星がどのように形成され、どのように生命が誕生したかを完全に理解するためには、このような研究が基礎的な役割を果たすだろう。


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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