銀河の中の星工場―分子で見る繁忙期の製造ライン―

爆発的な星形成が起こっている銀河の中心部を、アルマ望遠鏡を用いて観測し、100種類以上の星間分子を検出することができました。そして、生まれる星の進化段階や環境が異なるガス雲の領域が、この銀河の中心部で混在している様子を、これまでになく詳細に描き出すことに成功しました。また、進化段階を知るための指標となる分子の種類を、新たに数種類増やすことができました。今後、指標となる分子をより多く同時に観測することで、爆発的な星形成を起こすメカニズムについての理解が、大いに進むことが期待されます。

宇宙には、天の川銀河よりもはるかに高い頻度で星形成が起こっている銀河があります。星形成が進んだり、逆に妨げられたりする仕組みは、いまだによく分かっていませんが、分子ガスの状態と密接な関係があると考えられ、分子ガスの状態もまた、さまざまな種類の分子の組成に影響しています。分子ガスの状態や分子の組成が異なると、そこから放たれる電波の周波数が異なります。それらを詳しく調べるためには、広い周波数の範囲で電波観測を行うことが有効です。

NGC 253は、地球から約1000万光年という近距離にあり、爆発的な星形成が起こっている銀河です。国立天文台をはじめ、欧州南天天文台、合同アルマ観測所、米国国立電波天文台の研究者を中心とする国際研究チームは、このNGC 253銀河の中心部について、さまざまな分子が放つ電波の観測（輝線探査）を、アルマ望遠鏡を用いて広い周波数の範囲で行いました。その結果、100以上もの種類の星間分子を検出しました。この探査は、「アルマ望遠鏡を用いた星間化学（アストロケミストリー）」という意味を込めて、「ALCHEMI（アルケミ）」プロジェクトと名付けられています。

研究チームはまず、NGC 253銀河の中心部にある高密度な分子ガスの量が、天の川銀河の中心部にあるものよりも10倍以上も多いことを見いだしました。密度の高い場所では、重力が効率よく働いて分子ガスが凝縮し星の形成が進むことから、この場所では分子ガスの密度が高い可能性が考えられます。また、分子ガスの密度が高くなるメカニズムとして、ガス雲同士の衝突があります。衝突で生じた衝撃波によって分子が蒸発しガスになると、そのガスが放つ電波が観測できるようになります。今回の探査でこのような蒸発したと考えられる種類の分子が観測されたことから、この銀河の中心部ではガス雲が衝突して分子ガスが圧縮され密度が高くなっていると考えられます。

さらに、星形成を妨げるような、前の世代の星が残した過酷な環境も、明らかになりました。大質量星がその一生を終えるとき、超新星爆発を起こして高エネルギーの宇宙線を放出します。宇宙線が多くのエネルギーを供給している場所では、分子ガスは圧縮されにくく、星形成が難しくなります。この探査からは、宇宙線によって分子の電子が盛んに剥ぎ取られている領域があることが分かりました。このようにNGC 253の中心部には、さまざまな進化段階にある星の領域が混在していることを、世界で初めて明らかにしたのです。

ALCHEMIプロジェクトにより、従来に比べてはるかに多くの種類の分子についての分布図を得ることができました。また分布図の比較から、従来使われてきたものに加えて、さらにいくつかの種類の分子が、分子ガスの状態や星の進化段階の指標として使えることも明らかになりました。今後は、指標となるより多くの分子を同時に観測することで、星形成のメカニズムについての理解をさらに進展させる道筋を開くことができます。現在、アルマ2計画で進められている、一度に観測できる周波数範囲を広げる「広帯域感度アップグレード」が完成すると、広い周波数範囲で観測する際に要する時間が、格段に短縮されます。今回の成果とアルマ2計画から、広い周波数範囲での大規模探査による星形成メカニズムの理解が、飛躍的に進むことが期待されます。