image: 塵の分布をオレンジ、メタノール分子の分布を青で示しています。 view more
Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Lee et al.
韓国・キョンヒ大学の ジョンユァン・リー氏と東京大学の相川祐理氏をはじめとする研究チームは、アルマ望遠鏡を使って若い星オリオン座V883星を取り巻くガスと塵の円盤（原始惑星系円盤）を観測し、メタノールやアセトアルデヒド、アセトンなど多数の有機分子を発見しました。この星は、若い星でときどき起きる急増光の最中にあるため円盤内の温度が上がっていて、氷に閉じ込められていた多くの有機分子がガスとして放出されたと考えられます。この研究は、惑星の誕生現場である原始惑星系円盤に含まれる有機分子を探る重要な手がかりを与えてくれます。
太陽系における彗星や小惑星の観測から、太陽系には有機分子が豊富に存在することがわかっています。特に彗星は岩石と氷の集合体であり、大量の水と有機分子を含んでいます。太陽系の長い歴史の中で地球には数多くの彗星が衝突したと考えられており、地球の成り立ちを考えるうえで、彗星の成分を調べることは大変重要です。最近ではヨーロッパ宇宙機関の探査機ロゼッタが、チュリュモフ・ゲラシメンコ彗星に接近してその成分を明らかにしました。では、その彗星の成分はどこで作られるのでしょうか。
彗星や惑星は、生まれたばかりの星の周囲にある原始惑星系円盤の中で、ガスや塵が集まることによって作られます。原始惑星系円盤では、星に近い場所ほど温度が高く、遠い場所ほど温度が低くなります。外側の温度が低い領域では、さまざまな有機物と水がまじりあった氷が塵の表面に付着していると考えられており、岩石と氷でできた彗星の誕生現場といえます。原始惑星系円盤における氷の成分を調べることは、彗星の成分の由来を調べることに直結します。
研究チームが今回観測対象に選んだのは、地球から1300光年離れたところにある若い星、オリオン座V883星でした。この星は、若い星でときどき見られる一時的な大増光の最中です。周囲を取り巻く円盤から大量の物質が星に落下することで、急激に星が明るくなったと考えられます。こうした急増光は100年程度しか続かないため、増光段階にある星は珍しい存在です。
星が急激に明るくなると、円盤の温度が上がります。円盤内で氷が昇華する温度になる場所は「スノーライン（雪線）」と呼ばれますが、円盤の温度が上がるとより外側の氷も昇華してしまうため、このスノーラインが外側に移動することになります。オリオン座V883星がもし増光していなかった場合は、スノーラインは数天文単位（1天文単位は地球と太陽の間の平均距離で、およそ1億5000万kmに相当）の位置になります。ところが増光中は、そのスノーラインが10倍ほど外側に移動するのです。つまり、円盤内の広い範囲にわたって、氷に閉じ込められていたさまざまな分子がガスとして放出されると想定されます。
リー氏は、「普通の明るさの若い星の場合、星のまわり数天文単位のところを観測するのはアルマ望遠鏡をもってしても簡単ではありません。しかし増光中の天体では広い範囲で氷がとけるため、原始惑星系円盤に含まれる氷の成分を調べやすくなるのです。」と語っています。
研究チームがアルマ望遠鏡を使ってオリオン座V883星のまわりの円盤を観測した結果、複雑な有機分子であるメタノール（CH3OH）、アセトアルデヒド（CH3CHO）、ギ酸メチル（CH3OCHO）、アセトニトリル（CH3CN）、アセトン（CH3COCH3）、エチレンオキシド（H2COCH2）、ギ酸（HCOOH）、メタンチオール（CH3SH）が発見されました。アセトンが原始惑星系円盤で検出されたのは、これが初めてのことです。一般的な原始惑星系円盤に比べて、オリオン座V883星の円盤ではこれらの分子の水素に対する存在比が約1000倍以上高くなっていることがわかりました。複雑な有機分子が、中心星の急増光によって確かに氷からガスとして放出されたことを裏付ける結果といえます。さらに、オリオン座V883星のまわりの氷に含まれる複雑な有機分子の成分が、探査機ロゼッタが調べたチュリュモフ・ゲラシメンコ彗星の成分と似ていることも明らかになりました。
研究チームは、アルマ望遠鏡の高い解像度を活かして、原始惑星系円盤内のメタノールとアセトアルデヒドの空間分布も明らかにしました。このふたつの分子の分布はよく似ていて、半径60天文単位（太陽系の海王星軌道の2倍の大きさ）ほどのところにリング状に分布していることがわかりました。これよりも星に近いところでは、分子が放つ電波が大量の塵が放つ電波に埋もれてしまうために、分子の組成を調べることができません。一方で60天文単位よりも遠い場所では、温度が低いために分子が氷に閉じ込められていて電波を放出することができません。つまり今回の観測では、スノーライン付近の氷の成分を明らかにすることができたといえます。
研究チームの一員である東京大学の相川祐理氏は「彗星に限らず、地球型惑星や氷惑星は円盤内の固体物質の集積で形成されます。よって固体物質の組成を解明することは惑星系形成の研究において非常に重要なのです。」とコメントしています。
急増光のまっただなかにある天体はそれほど多くありませんが、非常に若い星から少し進化した若い星まで、幅広い進化段階にわたって急増光が見られることが知られています。急増光中のさまざまな年代にある星のまわりの氷の成分を調べることで、星の進化に伴う周囲の化学組成の変化も追いかけることができると研究チームは期待しています。
注：別のアルマ望遠鏡観測 (van�t Hoff et al. 2018, ApJL, 864, 23) によってオリオン座V883星の周囲にはメタノールが検出されていましたが、感度と解像度が十分ではなかったため、水のスノーラインの内側の構造を分解して調べることはできていませんでした。
この研究を行った研究チームのメンバーは、以下の通りです。 Jeong-Eun Lee (Kyung Hee University), Seokho Lee (Kyung Hee University), Giseon Baek (Kyung Hee University), 相川祐理 (東京大学), Lucas Cieza (Universidad Diego Portales), Sung-Yong Yoon (Kyung Hee University), Gregory Herczeg (Peking University), Doug Johnstone (NRC Herzberg Astronomy and Astrophysics), Simon Casassus (Universidad de Chile)
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Journal
Nature Astronomy