20年前に予測した理論を世界で初めて証明した韓国研究チーム
太陽系初期の物質形成過程を解明する手がかりが判明し、理論上の存在がJWSTの観測により検証可能となった
韓国の研究チームが、20年にわたる研究の末、世界で初めて太陽系初期の謎を解明した。ソウル大物理天文学部の李廷恩（イ・ジョンウン）教授のチームは、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）を活用し、星が誕生する初期段階で珪酸塩が結晶化し、その際に生成された結晶質珪酸塩が外部領域へ移動する過程を世界で初めて確認したと22日に発表した。結晶質珪酸塩は、太陽系形成初期の物質移動環境を理解するための重要な手がかりを提供する。今回の研究結果は、国際学術誌「ネイチャー」に掲載された。
「彗星内の高温鉱物」の形成原理を明らかにしたJWST
珪酸塩は地球の地殻の約90%を占める鉱物で、地球型惑星や彗星の主要な構成成分である。結晶質珪酸塩は摂氏600度以上の高温でのみ形成されるとされていたが、太陽系外縁部の極低温の彗星で繰り返し発見されてきた。高温で生成された物質がどのようにして遠くの外縁部まで移動したのかについては、長らく理論の域にとどまっていた。乱流混合などいくつかの仮説が提案されたが、結晶化と移動が同時に起こることを裏付ける観測的証拠は不足していた。
最近の学界では、星の形成が「爆発的質量流入」という過程で断続的に起こり、その際に胎児星周囲の円盤が急激に加熱されて珪酸塩が結晶化する可能性があるという理論が注目を集めている。円盤は胎児星に物質を供給し、惑星や彗星を生成する場所である。胎児星はまだ中心部で核融合が本格的に始まっていない天体で、周囲の物質を爆発的に吸い込む過程を繰り返しながら成長する。この過程で胎児星が明るくなり、その放出エネルギーが円盤物質の化学的・鉱物学的状態を変える可能性があるということだ。しかし、これを検証するための感度と分光・空間解像度を備えた望遠鏡はこれまで存在しなかった。
2021年にJWSTが打ち上げられたことで、状況は一変した。研究チームはこの理論を検証するため、独自にJWSTの観測時間を確保し、へびつかい座星雲にある胎児星「EC53」を観測した。地球から約1,400光年離れたEC53は、約18か月周期で明るさが変化し、休止期と爆発期を比較的明確に区別できる天体として知られている。研究チームは、EC53の休止期と爆発期を分けて中赤外線分光観測を行った。
観測の結果、結晶質珪酸塩のスペクトルは爆発期において明確に検出された。一方で、比較的低温を示す領域では結晶質成分が現れなかった。これは結晶質珪酸塩が既存の物質ではなく、爆発段階で高温の円盤内部で新たに形成されたことを意味している。
研究チームは、爆発期に生成された結晶質珪酸塩が「円盤風」に乗って外側の領域へ運ばれる経路も示した。円盤風とは、円盤内部が加熱され、円盤表面に沿って外側に流れるガスの流れを指す。この円盤風こそが、結晶質珪酸塩が極低温の彗星で発見される理由である。結晶質珪酸塩の生成と移動原理を観測によって示したのは、今回が初めての事例となった。
20年の研究の執念が実を結び、有機物の惑星伝達経路の解明へ
今回の成果は、李教授の長年の理論的予測が結実した形だ。李教授は「間欠的な質量降着について20年以上研究してきた中で、胎児星の爆発的な質量流入が彗星を構成する成分の物理的・化学的状態を根本的に変えると予想してきた」と述べ、「長期間にわたって蓄積された観測経験と新しい観測資源の結合が、いかに科学的発見につながるかを示す事例だ」と言及した。続けて「今回の研究結果は、未来の研究テーマを新たに生み出すものだ」と付け加えた。
李教授は、研究過程でのエピソードについても触れた。今回の研究において、チームはJWSTを微小隕石衝突の危険が高い領域で運用しなければならなかった。微小隕石は砂粒よりも小さいが、望遠鏡にとっては致命的なダメージを与える可能性がある。実際、JWSTは2022年に微小隕石が主鏡に衝突して損傷が生じており、衝突の危険が高い区間の観測は通常避けられている。しかし、研究チームによる科学的な重要性が認められ、特別に使用許可が与えられた。
研究チームは今後、韓国天文研究院とアメリカ航空宇宙局（NASA）が共同開発して運用中の「SPHEREx」宇宙望遠鏡を活用し、胎児星候補を選別してJWSTで精密観測を行う次の研究に着手する方針だ。星と惑星が形成される過程で、水と有機物がどのように惑星系に伝達されるかを解明することを目標としている。
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