重水素で探る系外惑星系と太陽系の成り立ち—アルマ望遠鏡による惑星誕生現場の大規模観測—

アルマ望遠鏡を用いて、5つの若い星を取り巻く原始惑星系円盤を大規模に観測し、惑星の形成現場における重水素を含む分子とイオン化率の分布を、これまでにない高い解像度で描き出すことに成功しました。特に、重水素を含む分子は、地球に存在する水の起源を探る鍵になる物質です。惑星が生まれる現場での重水素の分布を普遍的に明らかにすることは、太陽系の天体と太陽系外惑星の誕生過程を理解することにつながります。

太陽系の天体はさまざまな化学組成を持っています。これは、原始太陽を取り巻くガスと塵（ちり）の円盤（原始惑星系円盤）の中で天体が作られたときに、それぞれの場所での化学組成や物理状態が異なっていたためと考えられます。つまり、原始惑星系円盤の中の化学組成や物理状態を明らかにすることは、惑星形成研究の基礎となるのです。

原始惑星系円盤に含まれる分子が放つ電波を、高い解像度で捉えることを目指すアルマ望遠鏡の大規模観測計画「MAPS」（Molecules with ALMA at Planet-forming Scales：アルマ望遠鏡による惑星形成スケールでの分子研究）が、このたび実行されました。今回の目標は、5つの若い星（おおかみ座IM星、ぎょしゃ座GM星、AS 209、HD 163296、MWC 480）の周囲にある原始惑星系円盤を観測し、これらの円盤内でのおよそ20種類の分子の分布を描き出すことです。原始惑星系円盤に存在する多様な分子がどのように分布しているのかを調べる観測としては、これまでになく高解像度・高感度なものになります。

この大規模観測計画を進める国際研究チームの中で、日本の研究者は、主に重水素（D）を含む分子（DCN、N₂D⁺）と、HCO⁺というイオン分子の解析を担当しました。まず、原始惑星系円盤の中での重水素の存在比（DCN/HCN、N₂D⁺/N₂H⁺）が、同じ円盤の中でも場所によって100倍ほど異なり、特に中心星に近いほど小さくなっていることを明らかにしました。原始惑星系円盤で求められた重水素の存在比と、太陽系天体の重水素存在比を比較すると、太陽系天体の起源に関する情報が得られます。重水素の存在比が小さい天体は、中心星に近いところで形成された可能性があるのです。

さらに、原始惑星系円盤におけるイオン分子の分布も明らかにしました。HCO⁺分子の観測によると、円盤の中でも中心星に近い内側ほど、イオン化率が低くなっていました。これは、ガスの密度がより高いためと考えられます。一方で、イオン化率が高いと磁場の影響を受けやすくなり、円盤からガスが流れ出したり、回転の勢いが弱められてガスが中心星に向かって落下しやすくなったりして、円盤内での惑星形成に大きな影響が及びます。N₂D⁺の観測では、円盤の中心付近のイオン化率が天体によって異なる可能性が示唆されていることから、今後もさまざまな原始惑星系円盤を観測して、より多くの情報が得られることが待たれます。

高い感度と解像度を持つアルマ望遠鏡を使った原始惑星系円盤の観測結果を、太陽系天体における知見や理論的な研究の予測と比較することで、私たちが住む太陽系の形成過程の謎に物質科学の面から迫ることが期待されます。

本研究成果は、Gianni Cataldi et al. “Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS) X: Studying deuteration at high angular resolution towards protoplanetary disks”、Yuri Aikawa et al. “Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS) XIII: HCO⁺ and disk ionization structure”など全20篇の査読論文として、米国の天体物理学専門誌『アストロフィジカル・ジャーナル・サプリメントシリーズ』のMAPS特集号に掲載されます。

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