ガスと塵の回転する円盤が惑星の誕生過程を明らかにする

過去2 世紀半にわたり、惑星系の起源 (私たちの惑星系も含む) を思い描いてきた科学者たちは、ある特定の場面、つまり、陶芸家のろくろの上で粘土を削るようにガスと塵から惑星を形作る、生まれたばかりの恒星の周りを回る円盤に注目してきました。

しかし、実際に太陽系外惑星が渦巻く物質から合体するのを観測してこの仮説を検証するとなると、まだ成功していない。「今では誰もが、惑星は原始惑星系円盤の中で形成されると言っています」とアリゾナ大学の天体物理学者、ルオビン・ドン氏は言う。「厳密に言えば、これは理論的な主張です。」

ここ数年の進歩は、この仮説が長くは理論の域を出ないことを示唆している。地上の巨大望遠鏡に搭載された第二世代の観測機器を用いて、複数のチームがついにいくつかの原始惑星系円盤の内部領域を解明し、予想外の謎めいたパターンを発見した。

最新の画像は4月11日に公開され、ヨーロッパ南天天文台は太陽に似た若い恒星の周りの円盤の画像8枚を公開した。これはおそらく、私たちの太陽系が誕生したばかりの頃の様子を示しているのだろう。

画像には、惑星からの明瞭で明確な光点は写っていない。しかし、これらの系や他の系には、内部に幼い惑星が潜んでいる可能性を示唆する、間接的ではあるが魅力的な兆候が含まれている。円盤の中には、若い惑星によって刻み込まれたと思われるリングや隙間を持つ、レコード盤のような形状のものもある。また、恒星の光が円盤の上下両面を照らし、ヨーヨーのような構造を形成しているものもある。

もし天文学者がこのような場所で惑星の萌芽を発見できれば、その恩恵は計り知れないものとなるでしょう。天文学の最も根深い仮説の一つを証明するだけでなく、惑星がどこで、どの程度の大きさで形成されているかを定量的に測定することで、惑星の誕生過程に関する様々な説を即座に解明するのに役立つでしょう。

惑星形成に関する一つの説は「コア集積説」と呼ばれ、惑星は岩石質のコアの周囲で、かつ恒星に近い領域でゆっくりと合体しながら形成されるとされています。別の説は、円盤内の重力不安定性に着目したもので、巨大惑星は恒星から遠く離れた場所で急速に合体する可能性があると示唆しています。現在、これらの説は太陽系および太陽系外惑星の分布を用いて検証可能です。しかし、惑星が移動して再配置する前の、まだ進行中のプロセスについて研究されたことはありません。

これらの系を研究する天文学者たちにとって、それは統一された、しかし未完の探求となる。薄暗く、遠く離れた、乱雑な円盤を観察し、生まれたばかりの惑星を探し出す。そしてついに、何世紀にもわたる期待の末、宇宙の無数の惑星を形成する根本的なプロセスを解明し始めるのだ。

直接検出

原始惑星系円盤で惑星を探していると、自分がそれを見ていると思い込むのは簡単です。これらの円盤を研究する天文学者たちは、すでにその中に隠れた複数の光点を発見しています。例えば、5月6日には国際チームがCS Chaと呼ばれる系に巨大惑星が潜んでいる兆候を報告しました。しかし今のところ、これらの光点は惑星候補に過ぎず、確定した惑星ではありません。

「私たちはまだ技術の最先端にいます」と、アマースト大学の天文学者キャサリン・フォレット氏は述べた。「円盤に埋め込まれた惑星の場合、その一つ一つが未だに激しい議論の的となっています。」

この曖昧さは、これらの惑星を特別なものにしているのと同じ、混沌とした環境と密接に結びついています。

探索を主導する観測装置の一つは、チリのアタカマ砂漠にある超大型望遠鏡（VLT）に搭載されたSPHEREで、最近撮影された8枚の原始惑星系円盤画像を取得した。フォレット氏が研究に携わるもう一つの観測装置は、チリの別の山に設置されたジェミニ惑星イメージャー（GPI）で、このGPIと競合する観測装置である。

どちらも、太陽系外惑星を研究するための多くの技術がより間接的な特徴に頼るのとは異なり、他の恒星の周りの惑星からの光子を捉えるように設計されました。また、どちらも、円盤が既に侵食されている、混雑していない古い太陽系に向けられたときに、最も解釈しやすいデータを生成します。

これらのカメラは、遠くのスポットライトの縁にとまるホタルを見つけるように、明るい主星からかすかな光の点をはぎ取る方法を必要とします。そこで、補償光学技術が用いられます。これは、大気の変動を追跡し、それに応じてカメラ自身の光学系をリアルタイムで歪ませることで補正する技術です。これにより、地球の大気の乱れが打ち消され、夜空のきらめきが抑えられ、より高い解像度が得られます。また、恒星からの光を遮断するコロナグラフも用いられます。

さらに、これらの惑星探査カメラは、差分撮像法と呼ばれる別の技術も採用しています。例えば、SPHEREは、異なる偏光フィルターを通して2枚の画像を同時に撮影します。星の光自体は偏光していないため、どちらの画像でも星は同じに見えます。この偏光を差し引くことも可能です。しかし、光が散乱すると偏光が発生します。これにより、天文学者は円盤や惑星から反射した光子を強調することができます。

アルゴリズムは残った光点を探します。しかし、円盤内の惑星を探す場合、アルゴリズムは塊や雲を生まれたばかりの惑星と混同してしまう可能性があります。

フォレット氏とその同僚たちは、過去数年間、こうした偽信号の解析に取り組んできた。彼らはまた、不可解な惑星候補についても研究してきた。その中には、他の惑星がそうであるようにケプラーの運動法則に従って主星を周回しているようには見えないものも含まれている。

一方、惑星が並行して進化していく過程には別の道もある。SPHEREとGPIは形成中の惑星を明確に発見したわけではないものの、原始惑星系円盤のこれまでで最も鮮明な画像を撮影することに成功した。

ついに間近で観測されたこれらの円盤には、惑星形成に関連があるかもしれない奇妙な特徴がいくつも見受けられる。「これは状況を一変させました」と、カリフォルニア工科大学の天体物理学者コンスタンチン・バティギン氏は述べた。「革命的な出来事でした。」

問題は、これらの特徴と、それらを引き起こしていると考えられる惑星を関連付けることです。そして、それも容易ではありません。「私たちは円盤を惑星の道標として話します」とフォレット氏は言います。「しかし、もしそれが惑星の道標だとしたら、私たちはまだそれをどう解釈すればいいのか全く分かっていないのです。」

スパイラルクレードル

2012 年に初めて発見された印象的なパターンを考えてみましょう。少なくとも 6 つの原始惑星系円盤で、何かがガスと塵を渦巻銀河の腕のような貝殻の渦に巻き付けているように見えます。

天体物理学者たちは、これらの渦巻き腕の形成原因を説明するために、主に2つの考え方を持っています。どちらも数十年前の銀河の渦巻き構造に関する理論を借用したものです。この考え方によれば、生まれたばかりの恒星の周りを回転するガスと塵が、天体の交通渋滞を引き起こしながら積み重なっていくと考えられています。しかし、この最初の渋滞を引き起こす何かがなければなりません。

天文学者たちは、重い円盤（周回する恒星の質量の少なくとも4分の1）に囲まれた恒星では、重力不安定性によって渦巻き腕に物質が蓄積する可能性があると示唆してきた。しかし、研究者たちは、この質量閾値をはるかに下回るように見える渦巻き円盤を多数発見しており、別のメカニズムが働いている可能性を示唆している。

もしかしたら、隠れた操り人形師のせいかもしれない。2015年、アリゾナ大学の天体物理学者ドン率いるチームは、木星より少し大きい巨大惑星が渦巻き状の渦巻きを引き起こす可能性を示すシミュレーションを構築した。惑星は腕の先端に位置し、恒星を周回する渦巻きを引きずることになる。もしそうだとすれば、すべての渦巻き状渦巻きは、この分野の究極の目標、つまり誕生過程にある惑星へと向かう巨大な矢印のようなものになる。

2016年、ドン氏のチームは、これらの渦巻き現象が巨大な天体によって引き起こされる可能性があるという証拠を発見しました。このケースでは、HD 100453という恒星を周回する引き金となった天体は矮星で、惑星よりも発見しやすいものでした。しかし、これは概念実証として役立ちました。「その後、人々はこのモデルをより信じるようになりました」とドン氏は言います。

腕の先端にある惑星が見つかれば、それだけで決定打となるが、天文学者たちはまだ待ち続けている。アストロフィジカル・ジャーナル・レターズ誌に最近掲載された論文で、ジョンズ・ホプキンス大学の研究者ビン・レン氏率いるチームは、MWC 758の渦巻き状の天体から10年以上前のデータを集め、分析した。

レン氏の分析によると、この間、渦巻きは年間約0.6度というごくわずかな回転をしていた可能性がある。レン氏によると、この回転は、約600年周期で恒星を周回する腕の先端に位置する巨大惑星であれば当然のことだ。しかし、そのような惑星が存在するとしても、それはまだ隠れている。

もちろん、たとえ渦巻き構造が惑星と決定的に結びついたとしても、それがすべての新生惑星の発見につながるわけではありません。シミュレーションでは、渦巻き模様を描くのに十分な質量を持つのは巨大ガス惑星だけです。より小さな惑星は他の方法で発見する必要があるでしょう。また、すべての原始惑星系円盤が渦巻き構造を持つわけでもありません。

例えば、太陽のような恒星の周りの円盤を撮影したSPHEREの新しい画像には、渦巻き状の腕は一つも見当たりません。（これは、渦巻き状の腕の形成過程が何であれ、より質量の大きい恒星の周りでより効率的である可能性を示唆していると、ハイデルベルクにあるマックス・プランク天文学研究所のヘニング・アヴェンハウス氏は述べています。）しかし、これらの画像や他の多くの原始惑星円盤は、別の、おそらくより有望な何か、つまり隙間を示しています。

亀裂の中の惑星

2014年秋、チリのアンデス山脈に建設された電波望遠鏡「アルマ望遠鏡」の試験観測を行っていた天文学者たちは、発見可能な最も質量の大きい原始惑星系にアルマ望遠鏡を向けることを決定した。その結果得られた「HL Tauri」と呼ばれる系における空洞と厚いリングの画像が、後にアルマ望遠鏡内部の会議で公開されると、アルマ望遠鏡は展示を中止した。

「会議の残り時間は、タウ星HLについて話し合いました」と、チリのディエゴ・ポルタルレス大学の天文学者、ルーカス・シエザ氏は述べた。集まった科学者たちは、これらの隙間を見て、それが惑星によって作られたものかどうかを議論した。ALMAの科学者たちはその後、うみへび座TW星と呼ばれる別の近傍の星系の画像も調べ、より詳細な画像で同様の隙間が見られることを確認した。しかし、どちらの星系でも、これらの隙間が惑星によって引き起こされたものなのか、それとも何か他の原因によるものなのかという結論は出ていない。「議論はまだ続いている」とシエザ氏は述べた。

渦巻き構造と同様に、惑星やその他の影響によって隙間が作られることがあります。惑星は数千年から数百万年かけて隙間を掘り出します。公転するにつれて、円盤の物質を自らに引き寄せると同時に、惑星の軌道から散乱させ、空洞の溝を残します。

この重力による刻み目は累積していくだろう。渦巻き模様を描くには木星よりも大きな惑星が必要だが、海王星ほどの大きさ、あるいは地球ほどの小さな惑星でさえ、目に見えるほどの隙間を作る可能性があると、カリフォルニア大学バークレー校の天体物理学者ジェフリー・ファン氏は述べている。

「これらの惑星はすべて、今日の観測機器で容易に観測できるほど深い隙間を生じさせる可能性がある」と彼は述べた。重要なのは、これらの隙間が、木星サイズの惑星を円盤内で直接発見するよりもさらに困難な、小惑星の形成を研究する唯一の近い将来のチャンスとなる可能性があるということだ。

惑星でなければ、何がこれらの隙間を作り出しているのでしょうか？ 円盤の磁場は乱流領域を引き起こし、磁気の「デッドゾーン」と呼ばれる空洞から物質を押し流すことがあります。あるいは、化学組成の急激な変化が、惑星の活動に似た隙間を生み出すこともあります。例えば、太陽系の雪線は、水が蒸気として存在する高温の内側の円盤と、水が固体粒子として凍結する外側の円盤との境界を示しています。一酸化炭素やアンモニアなどの他の化合物でも、同様の変化が起こります。

この混乱により、天文学者たちは答えを探し求めている。「最良のシナリオは、実際に隙間の中に惑星が見えることです」とファン氏は述べた。技術的には、現在の技術では惑星そのものを検出することはできず、惑星に落ち込む物質からなる、より小さな惑星周回円盤を検出することになる。もしそのような信号が渦巻きや隙間と結び付けられれば、観測者は惑星と円盤の特徴をより一般的に相互に変換できるようになるだろう。

待ち時間はそれほど長くないかもしれない。「私がこれまで見てきた中で最もエキサイティングなものはまだ公表されていません」とシエザ氏は述べ、具体的な内容についてはコメントを控えた。「今後数ヶ月で、非常にエキサイティングなことが数多く起こると期待しています」

次世代の望遠鏡も役立つはずです。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、赤外線波長で円盤内部を観測し、惑星を直接探査することができます。その打ち上げは最近再び延期され、今回は2020年に予定されています。

GPIチームを率いるスタンフォード大学のブルース・マッキントッシュ氏は、惑星形成の過程を捉えるという挑戦は、30メートル級の望遠鏡にとって「素晴らしい科学的事例」だと述べた。チリで現在建設中の超大型望遠鏡（ELT）のようなこの規模の観​​測所は、原始惑星系円盤内のさらに小さな構造を解像することができるだろう。

いつ起こるにせよ、惑星形成の確認は「画期的」なものになるだろうとドン氏は述べた。かつては数学的な物語だった惑星誕生が、現実のデータでリアルタイムに展開されることになるのだ。「これは、私たちがどこから来たのかという根本的な問いに関わっているのです。」

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。