太陽や夜空に輝く星は、宇宙に漂うガスが自らの重力によって集まることで誕生します。宇宙には「星の卵」ともいえるガスの集合体が数多く発見されており、その中に赤ちゃん星（原始星）を宿したものも多くあります。おなかの中の赤ちゃんに母体から栄養が供給されるように、原始星を取り巻くガスの集合体から中心の原始星に向かってガスが流れ込むことで、原始星は次第に成長していきます。この時ガスは直接原始星には取り込まれず、いったん原始星のまわりを円盤状に回るようになります。しかし、この円盤が星の誕生過程のどの段階で作られ、どのように成長していくのかは、観測的研究からも理論的研究からもまだ明らかになっていません。これは、十分な解像度と感度で原始星の周囲を観測できていなかったことに原因があります。

東京大学大学院理学系研究科の大学院生 麻生有佑氏と国立天文台ハワイ観測所の大橋永芳教授らを中心とする研究グループは、原始星を取り巻く円盤の構造を詳しく調べるため、おうし座にある原始星TMC-1A（地球からの距離 約450光年）をアルマ望遠鏡で観測しました。TMC-1Aは誕生直後の非常に若い星で、その周囲にはガスの円盤があり、さらにそれを取り巻くようにガス雲（エンベロープ）が取り囲んでいることが知られています。

観測の結果、研究グループはエンベロープから円盤に向かってガスが降り積もり、円盤内でケプラー回転（注）するようになる領域を観測から直接精度よく見出すことに初めて成功しました。エンベロープから円盤にはガスが流れ込んでいるため両者は連続的につながっており、従来の研究ではこれらを見分けるのは困難でした。これらを見分けるためには、まず内側にある円盤の回転速度を観測から精度よく見積もり、外側でその回転速度と合致しない成分を探す必要があります。円盤のガスは中心の星に近いほど高速で回転していますが、内側ほどガスの量が少なくなります。このため、円盤の内側から発せられる電波は弱くなってしまい、精度良く測定することが難しいのです。今回の観測では、アルマ望遠鏡の高い感度のおかげで、高速回転する円盤の速度とその広がりを高い精度で求めることができました。そのおかげで、外側にある異なった速度を持つ構造、すなわちエンベロープとの境界が特定でき、エンベロープから円盤に降り積もってくるガスの速度も精度よく見積もることに成功しました。

動画: TMC-1Aの想像図。Credit: NAOJ

今回の観測から、TMC-1Aの円盤とエンベロープの境目は中心の原始星から約90天文単位の場所にあることがわかりました。これは、太陽系の最も外側の惑星である海王星の軌道の約3倍にあたる大きさです。また原始星の質量は太陽の0.68倍であることもわかりました。円盤の速度を精度よく求めることができたため、この原始星の質量もこれまでより高い精度で決定することができました。さらにエンベロープから円盤に向かって流れ込むガスの速度はおよそ毎秒1km、その量は1年間に太陽質量の50万分の1程度であることもわかりました。従来、このようなガスの流入は単に重力に引っ張られて落下すると考えられてきましたが、今回見つかったガスの流入は、重力に引っ張られて落下する場合よりも緩やかなものであり、これまでの描像とは大きく異なります。磁場の力によってガスの運動が妨げられているのが原因ではないかと考えられます。

今回の成果をまとめた論文の筆頭著者である麻生氏は、「若い星の周りの円盤は惑星の母体です。この円盤がどのように作られるかを調べるためには、本研究のようにエンベロープに埋もれた成長途中の円盤を観測し、円盤とエンベロープを精度よく切り分け、境目がどこに位置するのかを詳しく調べることが重要です。境目の位置は原始星の成長とともに、外側へ広がっていくことが予想されますが、それも近い将来アルマ望遠鏡の観測で明らかになるでしょう」と述べています。

この研究成果は、Aso et al. “ALMA Observations of the Transition from Infall Motion to Keplerian Rotation around the Late-phase Protostar TMC-1A” として、2015年10月発行の米国の天体物理学専門誌「アストロフィジカル・ジャーナル」に掲載されました。

注
太陽系の惑星は、太陽の重力に支配された動きをしています。内側の惑星ほど短い周期で、外側の惑星ほど長い周期で太陽を周回しています。17世紀、ヨハネス・ケプラーはこうした惑星の動きに潜む法則を見出し、「ケプラーの法則」を提唱しました。そしてこの法則に従う運動を「ケプラー回転」と呼びます。