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地球への水の壮大な旅は、太陽が形成される前に始まった

地球の水の起源は、科学者が何十年もかけて解き明かしてきた複雑な謎である。生命は水なしには成立しないので、地球の生命の源である水の起源は、基礎的な問題だ。望遠鏡の性能が向上するにつれて、研究者はこの問題に大きな前進をもたらした。

これまでの研究で、地球の水と太陽系の彗星や氷の惑星準惑星との関係が明らかにされてきた。しかし、新しい研究では、その連鎖をさらに遡って、太陽そのものがまだ形成されていなかった時代までさかのぼることが出来た。

“太陽系の水の起源を、太陽が形成される前までさかのぼることができるようになりました。”

John J. Tobin, NRAO

約1300光年の距離にある恒星オリオン座V883星を調べた新しい研究がある。オリオン座V883星は、50万年前の若い原始星で、恒星から見ればまだ幼い星だ。そのため、星が生まれたときのガスや塵の雲はまだ取り除かれていない。そして、原始惑星系円盤と呼ばれるその渦巻き状の雲の中では、遠い太陽系の惑星がまだ形成されている。

天文学者は、オリオン座V883星系のような若い太陽系の細部を見るのに苦労している。ガスと塵のベールに包まれた太陽系では、その活動は見えません。しかし、アタカマ大型ミリ波/サブミリ波干渉計(ALMA)による新しい観測で、この太陽系に水蒸気が検出され、新しい研究の背後にいる科学者は、水の「化学指紋」も測定した。

この研究は、「Deuterium-enriched water ties planet-forming disks to comets and protostars」というもので、学術誌『Nature』に掲載されている。筆頭著者は、米国国立電波天文台のJohn J. Tobin氏だ。Tobin氏は、この結果を発表したプレスリリースで、「私たちは今、太陽系における水の起源を、太陽が形成される前までたどることができます」と述べている。

若い太陽系で水を検出するのは、ほとんどが氷に凍りついているため、難しいことだ。オランダのライデン天文台の博士課程に在籍する共著者のMargot Leemker氏は、「惑星形成ディスクの水のほとんどは氷として凍結しているため、通常は我々の視界から隠されています」と語る。そのため、水の分子運動が制限されるのだ。しかし、水が気体の状態であれば、分子は回転し、振動する。水素結合は絶えず切断と再生を繰り返し、その結果、アルマ望遠鏡が見ることのできる放射線が放出される。

通常、恒星から遠い水は凍結し、恒星に近い水は気体である。しかし、恒星に近い領域は、恒星を囲むガスの雲に隠れて見えないため、気体の水からの放射を受けることになる。

この研究が他のものと違うのは、研究者がオリオン座883星からかなり離れた場所で水蒸気を検出したことだ。水蒸気を検出しただけでなく、その化学的指紋を測定したのだ。

Protium vs Deuterium
この画像は、プロチウムと呼ばれる「通常の」水素と、重水素と呼ばれる中性子を持つ水素の違いを示している。水は両方のタイプの水素を含むことができ、この2つの比率が水の「化学的指紋」である。 (Credit: Image Credit: By Dirk Hünniger;Derivative work in english – Balajijagadesh, CC BY-SA 3.0)

通常、水は2個の通常の水素原子と1個の酸素原子から出来ている(H2O)。しかし、水分子中の水素原子の1個が重水素であることがある(重水素には中性子が含まれているが、通常の水素にはない)。重水素原子を1つ含むH2Oは、中性子が加わることで密度が高くなるため、準重水と呼ばれている。地球の海であれ、遠い太陽系のどこかであれ、ある水域には両方のタイプの水が存在し、その比率がその水の化学的指紋となる。

オリオン座V883星の円盤が異常に高温であることは、これまでの研究で明らかになっていた。若い原始星であるオリオン座V883星は、まだ物質を吸収している最中だ。しかし、降着は不均一なプロセスであり、オリオン座V883星は物質が降着するにつれて、エネルギーの爆発を経験する。そのエネルギーは、雪線を星から遠ざけ、水の氷を水蒸気に昇華させることがある。数年前、この星のエネルギーが爆発して光度が上がり、円盤が温められて、氷が水蒸気に昇華し、見えるようになったのだ。

「オリオン座V883星の円盤は暖かいので、ほとんどの原始惑星円盤とは異なり、空間分解観測でその貯水量を特徴づけることができる」と著者らは研究発表で説明している。

V883 Ori disk outburst

この可視化によって、ガス状の星形成雲から地球のような惑星の海へと至る水の長い旅路のもう一つのつながりが明らかになった。主執筆者のTobin氏によれば、これまでこのリンクは欠けていたそうだ。「オリオン座V883星は、このミッシングリンクです」とTobin氏は言う。「ディスク内の水の組成は、私たちの太陽系にある彗星の組成と非常に似ています。これは、惑星系の水は、数十億年前、太陽より前に、星間空間で形成され、彗星と地球の両方に、比較的変化なく受け継がれてきたという考えを裏付けるものです」

研究チームは、円盤のHDO:H2O比を測定したところ、彗星や原始星雲と同程度であり、地球の海を超えることがわかったと著者らは説明する。

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この画像は、2016年にALMAによって得られた、若い星オリオン座V883星の周りの惑星形成ディスクの画像だ。このとき恒星はアウトバースト(爆発)を起こしており、水の雪線が恒星からさらに押し出され、初めて検出することができた。円盤の中ほどにある暗いリングが水雪線であり、水の氷ができるほど温度と圧力が低くなる恒星からのポイントである。太陽系内の惑星海王星と矮小惑星冥王星の軌道を拡大図に示す。(Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/L. Cieza)

オリオン座V883星のような若い原始星の周りの太陽系で何が起こっているのかを解明するためには、多くの探索が必要だ。ALMAは、さまざまな水分子だけでなく、メタノールなどの分子の輝線を観測する能力を備えている。それぞれの分子の位置から、太陽系がどのような状態なのかが分かる。

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この研究による画像は、オリオン座V883星の水などの分子の強度を示している。HDOは、重水素原子を1つ持つ準重水だ。H218Oは、酸素の天然安定同位体であるO18を濃縮した水だ。CH3OHはメタノール、C17Oは一酸化炭素に不安定な炭素同位体であるカーボン17を含んだものだ。それぞれの分子は昇華温度が異なるため、その位置や濃度は、若い原始星を取り巻く円盤について、天文学者に多くのことを伝えている。(Credit: Tobin et al. 2023.)

この結果は、オリオン座V883星が形成される以前の雲に存在した水と、太陽系の水との関連を明らかにするものだ。若い星の周りの円盤の水の組成は、彗星のような太陽系の天体に含まれる水の組成と同じである。

「円盤は星形成雲から直接水を受け継ぎ、この水は化学変化を起こすことなく、彗星のような大きな氷の天体に取り込まれると結論付けています」と著者たちは書いている。また、円盤には地球の全海洋の1,200倍もの水が含まれていることも判明した。

これまでの研究で、地球の水の少なくとも一部は、地球の歴史の初期に彗星によって運ばれたことが分かっている。今回の研究では、水の歴史は太陽が誕生する前までさかのぼり、地球の生物圏に行き着くまで何百万年も続く壮大な旅であることが示された。

地球の水は壮大な旅を経て地球の一部となっただけでなく、水の起源を理解するための努力も壮大だ。ALMA望遠鏡の感度がこの研究を可能にしたのであり、今後さらに強力な望遠鏡で観測することで、これらの知見をさらに深めることができるだろう。

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欧州超大型望遠鏡(E-ELT)を囲った状態のイメージ図。E-ELTは、口径39メートルの光学・赤外線望遠鏡である。強力なMETIS装置により、V883オリオニスのような若い星の周りの円盤をさらに詳しく研究することが出来る。(Credit: ESO/L. Calçada)

ESOの超大型望遠鏡は、2028年にファーストライトを迎える。この望遠鏡には、METIS (Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph) という強力な装置が搭載される。METISと直径39メートルの巨大な鏡を組み合わせることで、オリオン座V883星を取り巻くような星間ディスクをより詳細に調べることが出来る。また、ガス雲から惑星に至る水の長い旅路に、より多くの光を当てることが出来る。

「惑星形成円盤の氷とガスについて、より詳細な情報を得ることができます」と、Leemker氏は結論付けている。


論文

参考文献

研究の要旨

水は星や惑星の形成過程における基本的な分子であり、固体物質の成長や円盤内のプラネテシマル形成の触媒として不可欠である。しかし、水は約160Kで昇華するため、ほとんどの水は塵粒上に凍結し、水の雪線半径は10AU(天文単位)以下であることから、原始惑星円盤内の水の雪線とHDO:H2O比はよく分かっていない。太陽型原始星V883 Ori (M* = 1.3 M⊙) は降着バーストを起こし、その光度はおよそ200 L⊙ (参考文献8) まで増加しており、これまでの観測からその水雪線は半径40-120 AUであると考えられている。ここでは、V883 Ori の円盤から気相の水 (HDO と HO218) を直接検出したことを報告する。カイパーベルトに匹敵する約80天文単位の面内水雪線半径を測定し、半径約160天文単位まで水を検出した。そして、円盤のHDO:H2O比は(2.26 ± 0.63) × 10-3と測定された。この比率は、原始星雲や彗星の比率に匹敵し、地球の海の比率を3.1σ上回る。このことから、円盤は星形成雲から直接水を受け継ぎ、その水は化学変化することなく彗星のような大きな氷の天体に取り込まれると結論づけられた。


この記事は、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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