研究の背景

夜空に輝く星には、さまざまな質量をもつものがあります。太陽の1/10以下の質量しか持たない星もあれば、太陽の100倍以上の質量をもつ巨大な星も存在しています。こうした多様な星々がどのようにして生まれるのか、質量の違いの原因は何か、という疑問は、天文学の中でも最も基本的な謎といえますが、まだ解明には至っていません。この謎を解くためには、さまざまな質量の星が作られる現場を詳しく観測する必要があります。

特に、太陽の10倍程度以上の質量をもつ星（大質量星）の形成は謎に包まれています。そもそも大質量星は太陽程度の質量の星よりも数が少ないうえ、大質量星ほど早く進化が進むため（注1） 、形成初期の様子を詳しく観測することが難しいのです。さらに、小質量星形成領域が地球からおよそ500光年程度の距離に存在するのに比べて、大質量星形成領域は最も近いオリオン大星雲でもおよそ1500光年と、地球からの距離が遠いのです。大質量星は原始星が混み合った中で集団で生まれると考えられており、形成場所が地球から遠いこともあいまって、誕生の様子を詳しく調べるには高い解像度が欠かせません。アルマ望遠鏡は高い解像度で星の材料となるガスや塵を観測できることから、大質量星形成の現場に迫るにはうってつけの望遠鏡と言えます。

アルマ望遠鏡での研究

茨城大学の樋口あや氏を中心とする研究チームは、さそり座の方向にある非常に明るい赤外線源IRAS 16547-4247をアルマ望遠鏡で観測しました。太陽のおよそ6万倍という強い光を放つこの天体は地球から9500光年の距離にあり、太陽の1300倍の質量をもつガス雲に埋もれています。過去に行われた電波望遠鏡による一酸化炭素分子が放つ電波の観測から、この領域には一対のガス流が見つかっており、若い星から噴き出したものだと考えられていました。また、中央にある明るい天体以外にも、電波源がいくつか見つかっていました。「多くの研究者は、ここでいくつもの大質量星が生まれているのだろうと想像していました。しかし観測的にそれを確かめ、大質量原始星のまわりのガスの運動を明らかにすることは、これまでの望遠鏡の解像度では不可能でした」と樋口氏は語ります。

研究者たちは、アルマ望遠鏡でIRAS 16547-4247のまわりのガスの構造とその動きを明らかにするために、塵と一酸化炭素、メタノールの分子が放つ電波を観測しました。まず塵の観測から、この領域の中心部に、それぞれ太陽の10倍から20倍程度の質量をもつ高密度でコンパクトなガス雲が存在することがわかりました。これは生まれつつある巨大な星を繭のように取り囲むガス雲であると考えられます。

また一酸化炭素分子の観測から、これまでの観測では南北方向にぼんやりと広がって見えていたガス流が、南北と東西にのびる2組のガス流であることがわかりました。今回のアルマ望遠鏡による観測では過去の一酸化炭素分子の観測に比べて解像度が36倍向上したため、ガスが非常に複雑な構造と動きを持っていることがこれまでになく詳細に描き出されたのです。ひとつの原始星からは一対のガス流しか生じないと考えられますので、今回の結果から、この領域では確かに原始星が複数同時に作られているということがわかりました。

さらに、メタノール分子がIRAS1654-4247の中心部から「砂時計型」に広がっているようすも描き出されました。メタノール分子は、通常は塵の表面で形成されますが、何らかの原因で温度が上昇すると塵表面から放出されて気体となり、電波を発するようになります。メタノール分子の砂時計型の分布は一酸化炭素で見えているガス流の縁と一致しているので、このメタノール分子は原始星から噴き出すガスによって周囲のガスが押しのけられ、その衝突の影響で温度が上昇して気体になったものと考えられます。小質量原始星のまわりではこうした砂時計構造はよく見つかりますが、大質量星形成領域でこのような分布のメタノール分子が見つかったのは今回が初めてのことでした。さらに、一酸化炭素で見えているガス流の延長線上には、過去の観測で非常に強い電波を放射する「メーザー」（注2） が発見されています。これまでこの天体でメーザーが生じている原因はわかっていませんでしたが、今回の観測からこのメーザーは高速ガス流が周囲のガスに衝突したエネルギーで輝いていることが示唆されます。

「一酸化炭素とメタノール分子が放つ電波を観測することで、大質量星が集団で誕生する場所のガスの分布と運動を詳しく明らかにすることができました。」と樋口氏は語っています。「代表的な大質量星形成領域と言えばオリオン大星雲ですが、アルマ望遠鏡を使えばオリオン大星雲より7倍ほど遠い場所であっても複雑な星団形成の様子をこれまでにないほどはっきり描き出すことができました。今後の大質量星形成領域の研究にとって、アルマ望遠鏡はなくてはならない存在になることでしょう。」

ガスの分布を表した想像図とメッシュを重ね合わせた画像。（画像1＋画像2）
Credit: ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)

注

[1] 大質量星の形成は10万年程度の期間で完了しますが、これは小質量星の形成よりも10倍程度短いタイムスケールです。

[2] メーザーとは、位相のそろった非常に強力な電波が放射される現象です。日常的に使われているレーザー光は、メーザーと同じ原理で出てくる強い光です。メーザー放射が生じるためには高いエネルギーが必要なため、一般的な星間雲とは異なる物理状態がそこにあることを示しています。

論文・研究チーム

この観測結果は、Higuchi et al. “IRAS 16547-4247: A New Candidate of a Protocluster Unveiled with ALMA” として、2015年1月発行の天文学専門誌「アストロフィジカル・ジャーナル・レターズ」に掲載されました。

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。

• 樋口あや（茨城大学）
• 西合一矢（国立天文台）
• James Chibueze（国立天文台／ナイジェリア大学）
• Patricio Sanhueza（国立天文台）
• 高桑繁久（台湾中央研究院天文及天文物理研究所）
• Guido Garay（チリ大学）

この研究は科学研究費補助金・新学術領域研究『太陽系外惑星の新機軸：地球型惑星へ』の助成を受けて実施されました。またチリCONICYT project PFB-06の支援も受けています。