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惑星形成理論の最前線

ガスと塵に包まれたままの、生まれたばかりの惑星を捉えた画像が、従来の惑星形成理論に異議を申し立てている。

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ESO/L. CALÇADA

Nature ダイジェスト Vol. 16 No. 3 | doi : 10.1038/ndigest.2019.190310

原文:Nature (2018-12-06) | doi: 10.1038/d41586-018-07591-8 | These dusty young stars are changing the rules of planet-building

Rebecca Boyle

今から約10万年前、ネアンデルタール人が南欧の洞窟で暮らしていた頃に、宇宙で1つの恒星が生まれた。おうし座分子雲として知られる「星の工場」の中でガスの塊が自己の重力によって収縮し、おうし座HL星に核融合反応の火がともったのだ。余った物質は恒星の周囲で冷えて合体し、塵の粒子とガスを形成して、もやのようにこれを包み込んだ。

2014年9月、この高温の若い恒星と周囲の物質から出た光の一部が、450年の旅の果てに、チリのアタカマ砂漠の高原に設置された銀色のパラボラアンテナに捉えられた。地球上で最も乾燥したこの土地でアタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計(アルマ望遠鏡)の試験を行っていた天文学者たちは、まさにこの光子を待っていた。アルマ望遠鏡の66台の電波アンテナは、最大15kmも離れて設置されていて、口径15kmの1つの巨大な望遠鏡として機能する。口径が広ければ解像度は上がる。可視光(約360~830nm)ではなく電波を観測に用いるアルマ望遠鏡は、低温の物体が出す波長10〜0.3mmのミリ波・サブミリ波を高解像度で検出できるのだ。

望遠鏡チームがアルマ望遠鏡をおうし座HL星に向けたとき、彼らは塵とガスからなる明るい染みが見えるだろうと期待していた。ところが、アルマ望遠鏡が捉えた光子をスーパーコンピューターで処理したところ、見えてきたのはくっきりしたリング構造を持つ円盤だった。円盤の隙間は、主星の周りを公転する生まれたばかりの小さな惑星が刻み込んだものだと考えられた。原始惑星系の全体は、ふわふわしたオレンジ色の土星のように見えた1。天文学者たちは、こんなものは見たことがなかった。アマースト大学(米国マサチューセッツ州)の天文学者Kate Folletteは、「私は論文を先へ先へとめくっていきました。『本物の画像はどこなの?これはモデルなのでしょう?』と思ったのです」と言う。

研究者たちが見たのは「惑星の揺り籠」の写真だった。おうし座HL星の周りの塵とガスからなる円盤の中で、いくつもの赤ちゃん惑星が形成されようとしていたのだ。この観測により、原始惑星系円盤撮影という新興分野の革命が始まった。それから4年後の現在、天文学者たちは他の多くの原始惑星系の撮影に成功している。惑星形成領域には多種多様なパターンが見られる。きれいな楕円形に競技場のレーンのようなはっきりした線があるものも、ミニチュアの銀河のような渦巻き腕を持つものもあった。2018年4月と7月に発表されたものを含む最新の観測では、形成途中の惑星も捉えられており、膨らんだ赤熱の原始惑星に塵とガスが流れ込む様子が撮影されている2,3

しかし、観測される原始惑星系の数が増えるにつれて、研究者たちは、これらの観測結果を太陽系やその他の惑星系の形成理論と一致させることに苦労するようになった。天文学者が遠方の恒星の周りに惑星を発見し始めた当初から矛盾が指摘されだしたが、そのリストが数千に上っている今、惑星形成理論は大混乱を来している。太陽系では太陽に近い軌道には岩石惑星が、遠い軌道には巨大ガス惑星があるが、多くの太陽系外惑星は、太陽系のようなきれいな規則に従っていない。研究者が形成途中の惑星の証拠をつかむたびに、惑星形成のルール・ブックはどんどん複雑になってゆく。それでも天文学者たちは、惑星が生まれるこうした現場の観測が、太陽系を含む全ての惑星系の誕生プロセスの解明に役立つことを期待している。「非常に若いものも含め、原始惑星系円盤にはあらゆる種類の構造が見られます」とFolletteは言う。「従来の理論ではまだ惑星は形成されないと考えられていた、ごく早い時期のものもあります」。

衝突と凝結

太陽系形成理論の通説の起源はドイツの哲学者イマヌエル・カントまで遡ることができる。カントは1755年に、太陽と惑星は、ガスと塵からなる星雲がゆっくりと崩壊して平べったくなった所から生まれてきたのではないかと考えた。現在の通説とされているモデルでは、太陽は分子雲(高密度の星間ガスからなる「星の工場」)の一部が崩壊してできたと考えられている。恒星の形成後にガスと塵のリングが残り、これが冷えて圧縮されることで大きな粒子になり、この粒子がさらに大きな微惑星(小惑星サイズの天体)になり、最終的に惑星になるという。

惑星形成の3つのシナリオ
惑星形成過程についてはさまざまな理論が提案されている。その多くは恒星が誕生した直後の決定的に重要な時期に注目している。この時期、生まれたばかりの恒星を取り巻く塵とガスは、比較的均一な円盤から、何らかのプロセスを経て、原始惑星と呼ばれる惑星の萌芽へと変化する。原始惑星は直径数千kmの天体で、最終的には巨大ガス惑星のコアや小さい岩石惑星の本体になる。 | 拡大する

理論家たちは1970年代から、太陽系の惑星の分布や、太陽系形成時の食べかすである隕石の化学成分を考慮することにより、この理論に微修正を重ねてきた。2000年代初頭には、岩石惑星と巨大ガス惑星の形成について2つのシナリオができていた(「惑星形成の3つのシナリオ」参照)。

1つの理論はコア集積モデルと呼ばれ、岩石質の物質同士が激しく衝突し、溶解し、凝固し、より大きな天体を形成して、徐々に原始惑星(直径数千kmのコンパクトな惑星の萌芽)を作ってゆく。原始惑星系円盤の中を公転する原始惑星は、その巨大な重力によって大量のガスを引き付け、包まれる。これが何らかの過程を経て、木星などの巨大惑星のコアになるのかもしれない。あるいは、地球や火星やその他の岩石惑星のように、岩石のボールの段階で成長が止まることもあるかもしれない。

もう1つの理論は流動不安定性(streaming instability)モデルと呼ばれるもので、太陽系は、激しい衝突ではなく、ある種の凝結作用によって生じたと考える。このシナリオでは、恒星を取り巻くガスと塵が急激に冷えて吹き寄せられ、密度が高まり、自己の重力によって崩壊してゆく。円盤中の直径数cmの塵や氷が塊を作り、より大きく、より高密度になり、直径1~100kmの天体を形成する。その後、他のプロセスを経て、より大きな惑星の萌芽へと成長し、最終的には惑星になるという。

しかし、この2つの理論はどちらも、私たちが見ている宇宙を説明するには不十分なものだ。例えば木星には、太陽の誕生時に残った物質の大半が含まれている。最大の疑問の1つは、木星がどのようにしてその巨大な質量をかき集められるだけの大きいコアを短期間に成長させたのかということだ。微惑星同士の衝突によるものだと仮定した場合、ここまで成長するには、理論上数百万年を要する。しかし理論家たちは、太陽を生み出し、これを取り巻いていた塵とガスからなる円盤は、ガスが散逸し、塵が太陽の中に落ちていった結果、形成から100万~1000万年後には消滅したと考えている。その上、NASAの木星探査機ジュノーが最近、木星のコアが予想以上に大きいことを明らかにした。この結果は、コアの形成がこれまで考えられていた以上に速かったことを示している。木星の位置を説明するのも難しい。理論家は1970年代から、太陽系の惑星は、形成される過程で、あるいは、他の成長途中の惑星との押し合いにより、1つの軌道から別の軌道へと移動していったと推測してきた。

惑星形成理論の欠陥は、2000年代中頃に太陽系以外の惑星系が続々と発見された結果、さらに深刻化した。太陽系外惑星の中には、公転周期がわずか数日の巨大惑星もあれば、公転軌道が非常に大きい巨大惑星もあり、これと比較した場合、木星は太陽からすぐ近くの所にあるようにも見える。ハードウエアとソフトウエアの改良によりシミュレーションはどんどん複雑化しているが、コア集積モデルでも流動不安定性モデルでも、巨大惑星が形成される理由や主星からの距離にばらつきがある理由を説明することはできていない。

2012年に、遠方の惑星の形成を説明できる1つのシナリオが登場した。ルンド大学(スウェーデン)の天文学者Anders JohansenとMichiel Lambrechtsは、コア集積シナリオと流動不安定性シナリオに改良を加えた理論を考案した。「小石集積」モデルと呼ばれる彼らの理論では、恒星を形成した物質の残りが、塵と小石が緩やかに集まった塊を作る。先に形成された微惑星がそれらの間を泳ぎ回ると、坂道を転がり落ちる雪玉がみるみるうちに大きくなっていくように、小石を集めて急速に成長する。Johansenによると、このシナリオでは、惑星は原始惑星系円盤の端の方で始まり、内側に向かって移動しながら小石を集めていくという。天体間の重力相互作用の加減で、惑星は最終的に主星のすぐ近くに落ち着くこともあれば、はるか彼方に行ってしまうこともある。天文学者たちは、木星と土星も、生まれたばかりの太陽系の中をそうして移動していったのではないかと考えている。

明るく輝く塵の円盤に刻み込まれた暗いリングの中に誕生から10万年未満の惑星を隠しているように見える、おうし座HL星などの惑星系を説明する方法として、小石集積モデルは速やかに人気を博していった。オクラホマ大学(米国ノーマン)の天文学者Matthew Clementは、「おそらく暗いリングの中には若い惑星があるのでしょう」と言う。「この発見は非常に良いヒントになりました。ある意味、惑星が非常に早く成長することを裏付ける発見でしたから」。

材料が足りない?

小石集積モデルは、惑星が急速に大きくなる仕組みはうまく説明できるが、最初の雪玉に当たる「惑星の種」がどのようにしてできたかについては、大したことは教えてくれない。問題は、直径数cmの塵の塊から月ほどの大きさの天体までのギャップを埋めることだ。従来のシミュレーションは、塵とガスは一緒に動くと仮定していた。カリフォルニア工科大学(米国パサデナ)の天文学者Philip Hopkinsは、「この問題に取り組んできた歴代の研究者は皆、塵とガスは完全に一体化して動くと仮定していました」と言う。

Hopkinsと彼の研究室のポスドク研究員Jono Squireは、塵とガスを別々に扱えるようにモデルを改良し、小川に浮かぶ棒の周りに水が渦を作るように、原始惑星系円盤の中の塵粒子の周りでガスが渦を巻くような複雑な相互作用を調べている4。流れの向きを変えられたガスはみるみるうちに乱流になり、不安定化し、洪水が瓦礫を集めるように塵の塊を形成させる。このようなモデルは微惑星が合体する過程の基礎を解明するのに役立つかもしれないとHopkinsは言う。「全然違う物語になるかもしれません」。

しかし、理論家たちが小石の集積とガスの渦巻きをあれこれいじっていくうちに、背景にあるもう1つの問題が浮かび上がってきた。ロンドン大学インペリアルカレッジ(英国)の天体物理学者Subhanjoy Mohantyと、現在はカーディフ大学(英国)に所属している天文学者のJane Greavesは、2013年に、おうし座分子雲の原始惑星系円盤の初期の観測結果を発表した5。彼らが利用した天文台は、アルマ望遠鏡がおうし座HL星の周りに見た円盤の溝をはっきり解像できるほど強力なものではなかったが、そこにあると思われるガスと塵の量を計算してみたところ、中程度の大きさの恒星を取り巻く円盤の質量は、予想よりはるかに小さいことが分かった。

2018年の夏、欧州南天天文台(ESO;ドイツ・ガーヒンク)の天文学者Carlo Manaraは、円盤の質量をもう一度計算し、銀河系の全域で同じことが言えることに気付いた6。原始惑星系円盤の質量は、同じような恒星の周りを回る太陽系外惑星の質量の和の数分の1、時にはわずか1%しかなかった。これは、惑星系の質量が、その材料となった物質の質量よりも大きいことを意味しているように思われる。

この一見あり得ないようなシナリオをどう説明するにしても、理論家は、それが意味するところを考えなければならない。彼らの多くは、太陽系外惑星の観測結果を説明する際に、膨大な量の材料があるという前提の上に立っていた。「円盤が自分自身の重力によって崩壊するためには、膨大な質量が必要なのです」とGreavesは言う。

望遠鏡の接眼レンズが捉えた以上の物質がそこにある可能性は否定できない。例えば、円盤の中には望遠鏡で検出しにくい物質があるのかもしれない。あるいは、Manaraや、彼の同僚でコートダジュール天文台(フランス・ニース)の動力学者であるAlessandro Morbidelliが言うように、天文学者が見ているのはスナップショットにすぎず、恒星に新たに集積する物質は、原始惑星系円盤の外から、つまり、これらを形作った分子雲から流れ込んでいるのかもしれない。

窃盗の現場を押さえるのは難しいかもしれない。しかし、ESOの天体物理学者Hsi-Wei Yenらは、2017年に発表した研究において、おうし座HL星の円盤とつながっているように見える2本のガスの流れについて記述している7。ただ、このガスが恒星に流れ込んでいるのか、それとも恒星から流れ出しているのかは分からなかった。ガスの流れが恒星に向かっているなら、流れ込むガスは広範にわたる影響を及ぼすはずだとMorbidelliは言う。それは、円盤の温度や密度、磁気などの因子も左右するからである。ガスの流れが存在する証拠の発見は、広い宇宙の中で成長する恒星や惑星が、宇宙の他の部分から隔離されているわけではないことを示唆している。「原始惑星系円盤は箱の中に入っているのではないのです」と彼は言う。「円盤についてこのような考え方をするのも革命的なことです」。

惑星の動物園

左から順に:若いおうし座HL星を取り巻く円盤の中で、成長過程にある惑星により刻み込まれた溝をアルマ望遠鏡が捉えた画像、SPHEREが捉えたオオカミ座IM星を取り巻く塵の円盤、HD 135344Bを取り巻く渦巻き状の円盤、PDS 70を取り巻く円盤の中で輝く巨大ガス惑星。 | 拡大する

FROM Left: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); ESO/H. AVENHAUS ET AL./DARTT-SCOLLABORATION; ESO, T. STOLKER ET AL.; ESO/A. MÜLLER ET AL.

理論家に与える課題がまだ足りないとでも言うかのように、惑星の揺り籠の観測結果はどんどん積み上がっている。最新の知見は、惑星が主星の一生のごく早い時期に形成されていて、主星から惑星が形成される場所までの距離には大きなばらつきがあるという考えを裏付けるものになっている。

原始惑星系円盤の画像は、アルマ望遠鏡以外の観測装置からももたらされている。天文学者たちは、ESOの超大型望遠鏡(VLT)に取り付けられた分光偏光高コントラスト太陽系外惑星探査(SPHERE)という装置も利用している。この装置もアタカマ砂漠に設置されていて、アルマ望遠鏡からは車で南に6時間ほどの距離である。SPHEREには、大気の揺らぎの影響を相殺するシステムと、星からの光を遮断するフィルターが装備されている。天文学者たちは2018年4月に、SPHEREを利用して、太陽に似た8つの若い恒星の周りにあるさまざまな形の円盤を捉えたと発表した2。大皿のような円盤や、競馬場のような楕円形の円盤、中心からジェットを吹き出す銀河のような円盤もあった。こうした多様性は、惑星の形成が複雑なプロセスであり、さまざまな結果が生じる可能性があることを示唆している。

そのわずか2カ月後には、今度はアルマ望遠鏡を利用して、これまでで最も若い太陽系外惑星の姿が捉えられたというニュースが届いた8,9。その惑星は、地球から100パーセク(330光年)の距離にある、生まれてから400万年の恒星の周りを回っている。アルマ望遠鏡は低温の塵からの電波を高い感度で検出できるが、惑星が反射した恒星の光を直接見ることはできない。しかし、恒星を取り巻く円盤の中の一酸化炭素ガスの渦は、木星ほどの質量を持つ3個の惑星が軌道にあり、小川の中の岩が流れを変えるように、ガスの流れを変えていることを示唆していた。

SPHEREの天文学者たちはアルマ望遠鏡に負けじとPDS 70という若い恒星を観測し、巨大ガス惑星の画像を直接撮影してみせた。この惑星は、太陽から木星までの距離の4倍以上離れた軌道を公転し、それでもなお、原始惑星系円盤の塵とガスを大量に飲み込んでいた3。彼らの観測結果は、木星のようなガス惑星が主星から非常に遠い場所で形成されるという予想を裏付けるものだった。

チリのアンデス山脈の麓にあるジェミニ南望遠鏡に搭載されたジェミニ惑星イメージャー(GPI)も、惑星が埋もれた円盤の姿を捉えることに成功している。その中には、コア集積シナリオを裏付けているように見える巨大ガス惑星もある10。今後、多くの観測結果が集まるにつれ、「惑星の揺り籠」で本当に惑星が生まれているのか、円盤中の不安定性が見えているだけではないのか、といった疑問も解消されてくるだろう。研究にジェミニ南望遠鏡GPIを利用しているFolletteは、「私たちが目にする円盤の特徴のほとんど全ては、惑星の存在を考えることで最も簡単に説明できます」と言う。

とはいえ最新の発見は、宇宙が最新理論の予想よりもはるかに複雑で手が込んでいることも示している。一部の天文学者は、自分が10年前に行っていた理論研究がもはや妥当ではないことに気付いているが、どのように修正するべきか、まだ確信を持てずにいる。

ボルドー天体物理学研究所(フランス)の天文学者Sean Raymondは、「そういうものなのです。残念ながら、私の過去の研究は今ではもう正しいとは言えません。実際のところ、正しかったことなど一度もないのです」と言う。「私の研究によってこの分野が一歩でも前進していればいいのですが」。

惑星形成の全体像は、観測だけでは見えてこないかもしれない。アルマ望遠鏡やその他の電波天文台は、若い恒星を取り巻く塵やガスを見ることができる。SPHEREやGPIなどの光学装置は、恒星の光を反射して輝く円盤やその中に埋もれた惑星を見ることができる。しかし、小さな破片から直径1000kmの天体までの範囲はまだ見ることができていないのだ。

このギャップの一部は、今ある望遠鏡と、これからできる望遠鏡によって埋められるだろう。英国のMERLINアレイや、まもなく南アフリカとオーストラリア西部に完成するスクエア・キロメートル・アレイなどでの高解像度の電波観測は、アルマ望遠鏡のミリ波を超えて、センチ波での観測を可能にするからだ。その観測は、塵と原始惑星の間に部分的に橋を架けるかもしれない。Greavesは、未来の岩石惑星の周りで渦を巻く数cm大の物質が見つかることを強く期待している。「原始惑星系円盤の中で、太陽から地球ほどの距離の所に、地球のような惑星が形成されていることを示す点を見つけることが、新たな目標になるでしょう。少なくとも私にとってはね」。

原始惑星系円盤の観測は始まったばかりであり、惑星形成過程の全体像は、まだ誰も想像していないほど複雑なものになる可能性がある。仮説は新たな仮説に覆され、その仮説もまた覆されるだろう。「例えば、太陽系はごく平凡な惑星系と考えられてきましたが、どうやらそうではないようです。私たちの太陽系は変わり者なのです」とClementは言う。「惑星系の形成は非常に複雑です」。

(翻訳:三枝小夜子)

Rebecca Boyleは、米国ミズーリ州セントルイス在住のフリーランスの科学ジャーナリスト。

参考文献

  1. ALMA Partnership Astrophys. J. Lett.808,L3 (2015).
  2. Avenhaus, H. et al.Astrophys. J. 863,44 (2018).
  3. Keppler, M. et al. Astron. Astrophys. 617, A44 (2018).
  4. Hopkins, P. & Squire, J. Mon. Not. R. Astron. Soc. 479, 4681–4719 (2018).
  5. Mohanty, S. et al. Astrophys. J. 773,168 (2013).
  6. Manara, C. F., Morbidelli, A. & Guillot, T. Astron. Astrophys. 618, L3 (2018).
  7. Yen, H-W. et al. Astron. Astrophys. 608,A134 (2017).
  8. Pinte, C. et al. Astrophys. J. 860,L13 (2018).
  9. Teague, R. et al. Astrophys .J. 860,L12 (2018).
  10. Macintosh, B. et al. Science 350, 64–67 (2015).

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Nature ダイジェスト Online edition: ISSN 2424-0702 Print edition: ISSN 2189-7778

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