• 大質量原始星を取り巻く円盤と円盤風、鉱物由来分子の分布の模式図 (出所:理研Webサイト)

    大質量原始星を取り巻く円盤と円盤風、鉱物由来分子の分布の模式図 (出所:理研Webサイト)

太陽系最古の固体物質である「CAI」(カルシウム・アルミニウムに富む包有物)は、初期太陽系のどこでどう形成されたのか、詳細は未解明だ。そのため、若い星の周囲で星間塵に含まれる鉱物成分の蒸発と再凝縮が起きる現場の観測が試みられてきたが、遠方からそれを捉えるのは困難だった。

こうした中、理化学研究所(理研)と国立天文台は、アルマ望遠鏡を用いて、地球から約1,350光年先にあるオリオン座の大質量原始星「Orion Source I」の周囲を観測し、鉱物の構成元素の中でも特に揮発しにくいチタンを含む一酸化チタン(TiO)の電波放射を検出したことを、11月5日に共同発表した。

同成果は、理研 開拓研究所 坂井星・惑星形成研究室のチャン・ジウェイ 基礎科学特別研究員、同・坂井南美主任研究員、国立天文台 水沢VLBI観測所の廣田朋也准教授らの国際共同研究チームによるもの。詳細は、米国天文学会が刊行する、天体物理学の速報系オープンアクセスジャーナル「The Astrophysical Journal Letters」に掲載された。

岩石惑星を形づくる鉱物はどこからきたのか

鉱物の材料となる元素は星の内部で生成され、超新星爆発などによって宇宙空間へ供給される。中でもチタンやアルミニウム、ケイ素などの難揮発性元素は、冷却過程で固体に取り込まれ星間塵を形成する。星間塵は星間ガスとともに星間雲を形作り、やがて低温・高密度化して分子雲へと発達する。星はその内部の高密度領域が重力収縮して誕生する。

誕生直後の星の近傍はきわめて高温になるため、星間塵を構成する鉱物成分が蒸発し、一度気体となって中心星から離れた寒冷な領域へ放出された後、冷却に伴って再び固体として「再凝縮」すると考えられている。

こうした蒸発と再凝縮の過程は、岩石惑星の材料形成を理解する上で欠かせない。特に、太陽系形成初期の高温環境で生まれたとされるCAIは、具体的な生成過程に不明な部分が多い。そのため、若い星の周囲で鉱物成分の蒸発と再凝縮が起きる仕組みを解明することが、CAIの起源に迫る鍵となる。

しかし、原始星の周囲で鉱物成分が実際にどこで蒸発し、いかに気体となるのかを遠方から観測するのは容易ではない。そこで研究チームは今回、気体のTiOを手掛かりに、星・惑星形成の現場で起きる鉱物成分の蒸発を捉えるため、アルマ望遠鏡による大質量原始星Orion Source Iの観測データを解析することにした。

今回の研究成果

Orion Source Iは太陽の約10倍の質量を持つ原始星で、周囲には半径数十天文単位の円盤が存在し、回転しながらガスを噴出させている。こうした原始星近傍の高温領域では、通常は星間塵の鉱物成分に含まれる難揮発性元素が気相へ放出されると推測されている。

観測データからTiOが放つ電波を探索した結果、サブミリ波(波長0.1〜1mm)帯でTiOの回転スペクトル線が3本検出された。さらに、放射領域やガスの運動速度を比較したところ、いずれもTiOによる放射だと確認された。

  • 原始星円盤とTiO・SiOの分布を表すイメージ。Orion Source Iの周囲には円盤(青)が存在しており、そこからはSiO(オレンジ)を含むガスが回転しながら噴出している。真横を向いた円盤の根元付近では、TiO(赤)が気化して放出されている (出所:国立天文台 水沢VLBI観測所Webサイト)

    原始星円盤とTiO・SiOの分布を表すイメージ。Orion Source Iの周囲には円盤(青)が存在しており、そこからはSiO(オレンジ)を含むガスが回転しながら噴出している。真横を向いた円盤の根元付近では、TiO(赤)が気化して放出されている (出所:国立天文台 水沢VLBI観測所Webサイト)

TiOの放射は、原始星から約50〜100天文単位の領域に集中していた。また、ガスの速度は観測位置によって秒速数十kmの範囲で規則的に変化しており、円盤そのものよりも、円盤から回転しながら噴出する「円盤風」の根元付近にTiOが多く存在することが示された。加えてTiOの分布領域が、過去に検出された「一酸化アルミニウム」(AlO)とよく一致することも判明。チタンとアルミニウムはいずれもきわめて揮発しにくく、CAIの主要な構成元素でもある。

今回、TiOが新たに検出されたことで、CAIを特徴づける2元素をそれぞれ含む分子が、若い星の周囲の高温領域で同様の分布を示す姿が捉えられた。これにより、従来は太陽系の隕石などを手掛かりに研究されてきたCAI形成につながる高温での鉱物蒸発・再凝縮過程を、実際の星形成領域の観測から探ることが可能になった形だ。

  • (上)Orion Source Iを取り巻く円盤近傍で検出されたTiOの分布と動き。(下)研究チームのメンバーが過去に検出したAlOの分布と動き。左図は分子の分布に対応した電波の強さ、右図は分子ガスの視線方向の速度を示す。中央の緑の等高線は塵の分布で、原始星周囲の円盤を真横から捉えている。いずれもアルマ望遠鏡の観測データを解析したもので、左下の楕円は観測の分解能を示す。右図で円盤の両側に青と赤の領域が分かれているのは、ガスの回転を示す。TiOとAlOの分布と速度構造は極めて類似しており、TiOが回転する円盤から噴き出す円盤風の根元に存在することが示唆された (出所:理研Webサイト)

    (上)Orion Source Iを取り巻く円盤近傍で検出されたTiOの分布と動き。(下)研究チームのメンバーが過去に検出したAlOの分布と動き。左図は分子の分布に対応した電波の強さ、右図は分子ガスの視線方向の速度を示す。中央の緑の等高線は塵の分布で、原始星周囲の円盤を真横から捉えている。いずれもアルマ望遠鏡の観測データを解析したもので、左下の楕円は観測の分解能を示す。右図で円盤の両側に青と赤の領域が分かれているのは、ガスの回転を示す。TiOとAlOの分布と速度構造は極めて類似しており、TiOが回転する円盤から噴き出す円盤風の根元に存在することが示唆された (出所:理研Webサイト)

さらに、検出された3本の回転スペクトル線の強度から見積もったTiOの存在量と、一酸化ケイ素(SiO)の存在量の比較が行われた。その結果、TiO/SiO比は約1.3%だった。これは、太陽系の始原的な元素組成におけるチタンとケイ素の元素比(約0.25%)の約5倍に相当する。この値は、非常に揮発しにくいチタンが、原始星近傍の高温環境で効率よく気相へ移っていることを示唆するという。ただし、SiOとの比較には観測条件の違いなどに起因する不確かさがあり、1.3%という値は上限値とみなす必要があるとした。

以上の結果から、Orion Source Iの円盤風の根元付近では、星間塵を構成する鉱物が加熱によって蒸発し、そこに含まれていたチタンやアルミニウムなどの難揮発性元素が気体として存在していると考えられるとした。特に、TiOがAlOと円盤風の根元付近のほぼ同一の領域で検出されたことは、星・惑星形成の現場で鉱物が蒸発していることを示す重要な観測的証拠とする。また、両分子が分布するこの領域が、鉱物の蒸発から再凝縮へとつながる過程を調べる上できわめて重要であることも示された。

今後、TiOやAlOに加え、カルシウムなど、他の難揮発性元素を含む分子ガスを探索し、それぞれの温度や存在する領域を明らかにすることで、星・惑星形成に伴う鉱物の蒸発から再凝縮までの過程を追跡することができると期待されるという。

特に、今回そろって観測されたチタンとアルミニウムは、CAIを特徴づける元素だ。今後は、形成段階や質量の異なる多様な原始星で同様の観測を進めることで、CAIのような高温で形成される固体物質が、どのような環境でどのような過程を経て生まれるのかを、隕石や小惑星から得られた試料の分析だけでなく、現在進行している星形成現場での観測からも探ることができると期待されるとしている。