最近の研究成果

大阪府立大学の徳田一起 客員研究員(兼・国立天文台 特任研究員)と名古屋大学の立原研悟准教授らの研究チームは、アルマ望遠鏡を用いて、おうし座方向にある「星の卵」ともいうべき高密度ガス雲（分子雲コア）32個の観測を行いました。この観測から、分子雲コアが自身の重力によって収縮し、星へと急成長する様子を明らかにすることができました。さらに、電波が検出された分子雲コアのうち1つに、「星のヒナ」である原始星に特有のガス流が潜んでいることも発見しました。ガス流の規模から推定するこの原始星の年齢はわずか数千年であり、誕生後まもない原始星を発見した可能性があります。「星の卵」から「星のヒナ」が生まれるまでにかかる時間はおよそ10万年と考えられ、今回の「星の卵の国勢調査」によって、分子雲コアが自らの重力によって収縮し星の誕生に至るまでの進化過程を描き出すことに成功しました。

ヘリウムよりも重たい元素のことを天文学では”重元素”と呼びます。宇宙が誕生した頃は恒星の中で ⻑時間かけて起こる元素合成が進んでいないため、軽い元素が支配的でした。このように現在の宇宙と大きく異なる環境では、どのように星が誕生するかは明確にはわかっていませんでした。 本研究では太陽系よりも重元素量が少なく、約 100 億年前の宇宙の環境を残した場所からの産声を初めて発見したことにより、宇宙の進化の歴史において星が誕生するメカニズムが共通していることを示す結果が得られました。九州大学大学院理学研究院の徳田一起 学術研究員/特任助教 (兼・国立天文台アルマプロジェクト特任助教)及び大阪公立大学大学院理学研究科の大⻄利和 教授をはじめとする国際共同研究チームはアルマ望遠鏡を使って、地球から 19 万光年離れた小マゼラン雲に存在する Y246 という原始星(幼年期の星) を観測しました。その結果、時速 54000km 以上の速さで運動する分子のガス流が存在していることを突き止めました。これは星の産声に対応する双極分子流という現象です。天の川銀河を初めとする現在の宇宙の原始星は、分子雲コアと呼ばれる星の卵から誕生しますが、この分子流を通して余分な回転の勢いを捨てることにより収縮して大人の星へ成⻑します。これと同様な現象が重元素量の少ない小マゼラン雲で見られたということは、星の誕生する過程が 100 億年の歴史の中で共通していたということを示す大きな証拠となります。 双極分子流は原始星近傍のガス円盤から噴出すると考えられているため、今回の発見は、遥か昔の宇宙環境におけるガス円盤の形成やその円盤中での惑星系の誕生について、新たな視点からの調査を進める第一歩となるかもしれません。

太陽の10倍以上の質量を持つ双子の星（大質量連星）の多くは、連星間距離が太陽-地球間の距離（ 1au） を下回るような近接した系であることが観測から明らかになっています。大質量近接連星は重力波観測で見つかっている連星ブラックホールの起源天体となりうるため重要ですが、その詳しい形成メカニズムはよくわかっていません。磁気制動と呼ばれる現象は連星間距離を短くする主要な機構として考えられており、先行研究では磁気流体シミュレーションや準解析的な手法を用いて磁気制動を考慮した連星間距離の進化が調べられていました。しかし、シミュレーションでは計算コストの問題から長時間の進化が追えない一方、準解析的な手法では磁気制動の効果を正しく見積もることが出来ないという問題があります。そこで、本研究では磁気流体シミュレーションと解析モデルを組み合わせた新しい手法を用いて、長期間に渡って磁気制動の効果が連星間距離に与える影響を調べました。シミュレーションの初期条件を変えたいくつかの計算を行なった結果、ある程度磁場が傾いたモデルなどでは数十auまで近接した連星系が形成されることがわかりました。

小惑星探査機「はやぶさ 2」が持ち帰った小惑星リュウグウのサンプルはミッションの成功基準 0.1 グラムを大きく上回る、およそ 5 グラムでした。東京大学大学院理学系研究科の橘教授ら「はやぶさ 2」サンプラーチーム、宇宙科学研究所地球外物質分析 グループを中心とする研究グループは、2020 年 12 月にサンプルが収納されていたコンテナ (サンプル収納コンテナ)を開封する直前に、コンテナの蓋とコンテナ本体の間の隙間に発見された黒色の 2 粒子の組織観察や構成鉱物の元素分析をおこない、これらの粒子が小 惑星リュウグウ由来であることを明らかにしました。地上ですでに発見されているリュウグウに類似した隕石ではないことも確認されました。これらの粒子は「はやぶさ 2」がサンプル収納コンテナを密封する前に、宇宙空間で外に飛び出し、コンテナ蓋とコンテナ本体の間に挟まれたまま、地上に帰還した粒子であると考えられます。これらの粒子の存在は、コンテナの密封性能に影響を与える可能性もあり、今後のサンプルリターンミッションにおけるサンプル収納機構の設計にも活かすことのできる新しい知見です。

「はやぶさ2初期分析チーム」のうちの「揮発性成分分析チーム」は、小惑星探査機「はやぶさ2」が地球に持ち帰った近地球軌道小惑星リュウグウの表層および地下物質試料の希ガスと窒素の同位体組成を測定しました。リュウグウには太陽系形成時の希ガスがふくまれており、その量はこれまで報告されているどの隕石よりも多いことがわかりました。窒素同位体組成は試料ごとに異なっており、多様な窒素含有物質が今もリュウグウ試料には保存されていることがわかりました。太陽系形成時の始原的ガス以外にも、銀河宇宙線によって生成された希ガスと太陽風起源の 2 種類の希ガスも含まれていました。多くのリュウグウ試料に含まれる太陽風起源ガスは僅かな量でした。第 1 回タッチダウン回収試料を 10 個、第 2 回タッチダウン回収試料を 6 個分析しましたが、多くの試料は太陽風希ガスをあまり含んでおらず、2 試料だけが現在の軌道でそれぞれ 3500 年間、250 年間の照射に相当する太 陽風を含んでいました。太陽風は天体の最表層の物質にしか打ち込まれないため、これらの試料は天体 最表層にそれぞれ 3500 年間、250 年間、存在していたことを意味しています。第 2 回タッチダウン試料は人工クレーター付近から回収しており、地下物質を含んでいると期待されています。第 2 回タッチダウン試料には太陽風希ガスがあまり含まれていないことから、深さ 1-2m 程度の地下物質はあまり撹拌されていないことがわかりました。また、銀河宇宙線起源ネオン量から、リュウグウ試料の銀河宇宙線照射期間は約 500 万年であることがわかりました。リュウグウ表面のクレーターには、近地球軌道での衝突で作られたと仮定して計算される年代(200 万年から 800 万年)と、小惑星帯での頻繁な衝突で作られたと仮定して計算される年代(10 万年から 30 万年)が提案されてきました。希ガス分析の結果から得られた銀河 宇宙線照射期間は前者の年代に一致しており、リュウグウは約 500 万年前に小惑星軌道から、天体表層への隕石衝突が少ない近地球軌道に移動したと考えられます。また、リュウグウ試料を真空装置内で 100°Cに加熱した際、100 万年の照射期間に相当する銀河宇宙線起源のガスが検出されました。このことは、過去 100 万年間はリュウグウ表層物質が 100°C以上の高温を経験していないことを意味します。リュウグウ表層の中緯度域には可視分光で赤く見える物質が見つ かっています。赤い物質はリュウグウが太陽に一時期近づいたために強い加熱を受けたためにできたという可能性がこれまでの研究で示唆されています。もし、赤化の原因が太陽近傍での加熱であるなら、それは 100 万年以上前の出来事であったことになります。

「はやぶさ2初期分析チーム」のうちの「揮発性成分分析チーム」は、小惑星探査機「はやぶさ2」が地球に持ち帰ったサンプルコンテナ内のガス成分の質量分析およびガス採取を行いました。カプセル回収から 30 時間後に、オーストラリア現地でガス採取・分析装置(GAEA)を 用いてコンテナ内のガス成分の抽出・採取・質量分析を行いました。その後、採取したガスを国内外の研究機関に配布し、ガス成分の精密な同位体分析を行いました。その結果、コンテナガスは太陽風と地球大気の混合であることが判明しました。コンテナ内のヘリウム量から計算したところ、リュウグウ試料の表面 が剥離した際に遊離した太陽風がコンテナガスとして含まれている可能性が最も高いことがわかりました。 近地球軌道小惑星からガス成分を気体のまま地球に持ち帰ったのは、「はやぶさ2」ミッションが世界で初めてです。

太陽系形成最初期に存在した原始太陽系円盤は、惑星材料物質の誕生・進化の場であり、その温度や圧力などの物理化学条件は太陽系天体の進化を左右します。しかし、これまでその条件は隕石の分析や理論研究結果からではほとんどわかっていませんでした。この研究では、隕石中に見つかる太陽系で最も古い火成 (溶融を経験した) 難揮発性包有物 "CAI" の酸素同位体組成に注目して、実験室に作り出した太陽系円盤を模した低圧環境での模擬CAIメルトの酸素同位体交換実験をおこない、CAIのメルトと低圧ガスとの酸素同位体交換速度を初めて決定しました。天然火成CAIの酸素同位体組成分布と本研究の化学反応速度データを組み合わせたところ、火成CAIが1400°C程度の温度において円盤全圧100 Pa以上の環境下で2–3日加熱されたことがわかり、さらにCAIメルトの冷却速度が~0.1–0.5 K/h 程度であると推定できました。CAIの酸素同位体組成を実験データから定量的に解釈した初めての研究となります。