オリオン座V883星 は特徴的な原始星であり、十分に温度が高いため、星周円盤内の水が水蒸気として存在しています。このようなオリオン座V883星 の特徴は電波天文学者が水の起源を突き止める研究を行うことを可能にしています。アルマ望遠鏡を用いて行われたこの新たな観測は、太陽系の水の起源が、他の原始星の星周円盤内の水と同様に星間物質起源である可能性を確認した初の観測例となりました。
Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

近傍の原始星を研究している科学者達は星周円盤に存在する水から放射される電波を検出しました。アルマ望遠鏡を用いたこの画期的な観測の試みは、原始惑星系円盤に取り込まれた水が同位体比の組成に関して、（星間雲時代のものと比べても）それほど変化していないことを示した初めての例となります。これらの観測からはさらに、太陽系を構成する水が太陽誕生よりも数十億年も前に形成されていたことを示唆します。

オリオン座V883星 はオリオン座の方向にある地球からだいたい1305光年離れたところに存在する原始星です。この原始星の新たな観測から、星間雲中の水と現在の太陽系の水は同位体比に関して同様の組成であることが確認できるため、両者の関係性を明らかにする手がかりが与えられるものと考えられます。

「我々は　宇宙を通して水の経てきた歴史を手がかりとして考えることができます。我々は終着点がどのようなものかは知っています。それは惑星と彗星に存在する水です。しかし我々はそのような手がかりを水の起源にさかのぼって突き止めたいと考えています。」米国立電波天文台所属の天文学者でこの新しい論文の筆頭著者であるジョン・トービン氏は語ります。「今まで　我々は地球の水と彗星の水の間の関係性、原始星の水と星間物質に含まれる水の間の関係性を明らかにすることはできましたが、原始星と彗星の関連性を明らかにすることはできませんでした。オリオン座V883星 はそのような状況を一変させ、オリオン座V883星 のシステムにおける水分子と太陽系の水分子が、重水素と水素に関して同様の同位体比を持つことが証明されました。」

ほとんどの原始星のシステムでは、水は氷として存在するため、原始星の星周円盤に含まれる水を電波で観測することは難しくなってしまいます。科学者達は原始星を観測する時にそれより内側は水が気体の水蒸気として優勢に存在するスノーライン（雪線）に注目します。スノーラインより内側では豊富に存在する水蒸気から放出される電波を用いて詳しい観測が可能となります。「スノーラインの位置が中心の原始星にあまりにも近いと十分な水蒸気が無くて容易に電波を検出することができず、又、円盤に多く含まれる塵が水蒸気から放出される電波を遮ってしまいます。しかしスノーラインが中心の星から遠い所に存在すれば、十分な水蒸気が円盤内に存在し、水蒸気から放出される電波を検出することができる様になります。オリオン座V883星ではそのような状況が実現されています」とトービン氏はコメントし、さらにオリオン座V883星が持っているこのユニークな特徴がこの観測プロジェクトを可能なものとしたと付け加えました。

オリオン座V883星 の円盤はかなり大質量で温度が高く、円盤に含まれる水は氷の状態から水蒸気の状態となり、このような点からオリオン座V883星は電波で太陽系の成長と進化を研究する上で理想的な観測対象となっています。

「この観測はアルマ望遠鏡の持つ卓越した能力を際立たせており、その優れた性能によって地球上の生命にとって最も重要な物質である水の研究を促進することができています。」アルマ担当の米科学財団プログラムオフィサーであるジョー・ペシー氏は述べました。「銀河系内の遠く離れた場所で見られる地球上の我々にとっても重要で根本的なプロセスを理解することは、宇宙の普遍的な働き、太陽系が現在の姿に発展するために不可欠なプロセスに関する知識を深めてくれます。」

オリオン座V883星 の原始惑星系円盤内の水と太陽系の水を比較するために、チームはアルマ望遠鏡の非常に感度が高いバンド5（波長1.6mm）とバンド6（波長1.3mm）の受信機を使用し、原始星、原始惑星系円盤そして彗星といった太陽系形成の各段階での水を重水素と水素の同位体比で比較すると、組成が変化せずほぼ同様に留まっていることを明らかにしました。「この結果が示すところは、太陽系の水は太陽、惑星、彗星が形成されるよりもずっと前に形成されたということになります。我々は既に星間物質の段階では水が氷の形態で豊富に存在していることが分かっています。我々が今回の観測で得た結果は、星間物質時代に氷として存在していた水が太陽系が形成されている時に直接取り込まれたことを示しています。」ミシガン大学の天文学者でこの論文の共著者であるメレル・ヴァンティーホフ氏は述べました。「この結果から言えることは、他の惑星系でも大量の水が取り込まれて惑星が形成されなくてはならなかったということになり、それを考えるととても興奮します。」

太陽系の進化を理解する上で、彗星や微惑星の進化に於ける水の役割を明らかにすることは重要です。太陽は多数の星で構成される星団内で形成されたと考えられる一方で、オリオン座V883星 は近傍に星が無く、相対的に孤立していたと考えられますが、両者は巨大分子雲内で形成されたという重要な共通点があります。

「星間物質中の水は微小なダスト粒子の表面に氷として形成されることが知られています。これらの星間雲は重力崩壊によって若い星を形成し、水は若い星周辺の円盤に取り込まれます。最終的に円盤は進化し、氷を含むダスト粒子は凝集して惑星や彗星と共に新たな太陽系を形成します。」とライデン大学の天文学者で論文の共著者であるマーゴット・レームカー氏は語りました。「星間雲中で形成された水は重水素、水素の同位体比をほぼ保ったまま原始星周辺の惑星形成が進行している星周円盤に進化していきます。オリオン座V883星 の水を調べることで、本質的には過去を調べ、もっと古い時代に太陽系がどの様であったかを目撃していることになります。」

トービン氏は加えて語りました。「今まで、太陽系の発展の中で各段階における水の特徴を連なる鎖として見た時に、つながりが欠けた部分が存在し、その鎖は壊れた鎖になっていたことになります。オリオン座V883星の今回の観測は壊れた鎖の欠けている部分を繋ぐミッシングリンクになっています。そして今回の成果によって我々は彗星や原始星から星間物質に至る水に関する繋がった壊れていない鎖を手にすることができたということになります。」

この記事は、米国国立電波天文台が2023年3月8日に掲載したプレスリリースをもとに作成しました。

論文情報
この研究成果は、J. Tobin et al. “Deuterium-enriched water ties planet-forming disks to comets and protostars”として、科学誌「ネイチャー」に2023年3月8日付で掲載されました。

アルマ望遠鏡（アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計、Atacama Large Millimeter/submillimeter Array: ALMA）は、欧州南天天文台（ESO）、米国国立科学財団（NSF）、日本の自然科学研究機構（NINS）がチリ共和国と協力して運用する国際的な天文観測施設です。アルマ望遠鏡の建設・運用費は、ESOと、NSFおよびその協力機関であるカナダ国家研究会議（NRC）および台湾行政院科技部（MoST）、NINSおよびその協力機関である台湾中央研究院（AS）と韓国天文宙科学研究院（KASI）によって分担されます。 アルマ望遠鏡の建設と運用は、ESOがその構成国を代表して、米国北東部大学連合（AUI）が管理する米国国立電波天文台が北米を代表して、日本の国立天文台が東アジアを代表して実施します。合同アルマ観測所（JAO）は、アルマ望遠鏡の建設、試験観測、運用の統一的な執行および管理を行なうことを目的とします。