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。

アルマ望遠鏡で観測したオリオン座V883星の疑似カラー画像。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。

Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Lee et al.

オリオン座V883星を取り巻く原始惑星系円盤の想像図。若い星の周囲には塵とガスの円盤があり、一定の半径（スノーライン）より外側では水や様々な有機分子が氷となっていますが、その内側では氷がとけています。今回アルマ望遠鏡では、そのスノーライン周辺で複雑な有機分子を検出しました。
Credit: 国立天文台

原始惑星系円盤の模式図。通常の状態（上）に比べ、中心の星が増光している間（下）には円盤内の温度が上がり、スノーラインがより外側に移動します。スノーラインよりずっと内側では、分子が放つ電波が塵からの電波に埋もれてしまいますが、スノーライン周辺では塵の量が比較的少なくなっているために分子が放つ電波をとらえることができます。一方スノーラインより外側では、有機分子は塵粒子のまわりの氷の中に閉じ込められていて、観測することができません。
Credit: 国立天文台

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。

論文・研究チーム
この研究成果は、Lee et al. “The ice composition in the disk around V883 Ori revealed
by its stellar outburst”として、イギリスの天文学専門誌「ネイチャー・アストロノミー」2019年2月4日号に掲載されます。

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)

この研究は、韓国研究財団（National Research Foundation of Korea）のBasic Science Research Program (No. NRF-2018R1A2B6003423)、韓国未来創造科学部（Ministry of Science, ICT and Future Planning）による研究開発プログラム、日本学術振興会科学研究費補助金（No. 16K13782、18H05222）、中国国家自然科学基金委員会（National Science Foundation of China）の研究費（No. 11473005）、カナダ国立研究機関（National Research Council of Canada）およびカナダ自然科学工学研究会議（NSERC） Discovery Grantの支援を受けています。