国立天文台は、アルマ望遠鏡を用いて成長途上にある若い「原始惑星系円盤」を観測した結果、円盤の回転軸の傾きに内側と外側でずれがあること、円盤内部で星間塵が合体成長し始めている可能性があることを発表した。

同成果は、理化学研究所 開拓研究本部坂井星・惑星形成研究室の坂井南美 主任研究員、イーチェン・チァン 基礎科学特別研究員、千葉大学 先進科学センターの花輪知幸 教授らの共同研究グループによるもの。詳細は、英国の科学雑誌「Nature」に掲載された。

原始惑星系円盤の中で惑星が形成されて惑星系となることから、近年では、原始惑星系円盤の形成過程の理解は惑星形成の理解と密接な関係にあると考えられ、研究が進められている。今回、研究グループでは、IRAS04368+2557原始星周りを回転する初期円盤に着目し、アルマ望遠鏡を用いて、高空間分解能の電波観測を試みた。

IRAS04368+2557は、地球から450光年離れた場所にある生まれたばかりの太陽型原始星である。周りには原始惑星系円盤が形成されているが、まだ若い円盤であるため、原始星へ回転しながら落下する降着ガスの内側に形成される。これにより、通常の原始惑星系円盤と比べ、鉛直方向に膨らんだ構造をしていることが特徴とされる。

研究グループでは、この円盤について、アルマ望遠鏡を用いて波長0.9mmと1.3mmの電波観測を行った。高感度・高分解能観測の結果から、中心の原始星から遠ざかるにつれて半径に対する円盤の厚みの比が大きくなる「フレア構造」が捉えられたという。さらに、円盤の厚みと半径の比が原始星から半径40～60天文単位の位置で急に変化していることから、「二重フレア構造」になっていることが確認された。

また、二重フレア構造の位置を境に、円盤の傾きが変化していることが明らかとなった。これは、円盤の回転軸の傾きに内側と外側でずれがあることを示します。このずれは、原始星や円盤へと外から降着してくるガスの回転軸が時間とともに変化しているからであると結論づけている。

  • 原始星IRAS04368+2557周りの初期円盤のアルマ望遠鏡による観測結果

    原始星IRAS04368+2557周りの初期円盤のアルマ望遠鏡による観測結果。(a)円盤の厚みと中心の原始星からの距離(半径)の関係。厚みは原始星から遠ざかるにつれて大きくなり、さらに半径40～60天文単位で急に大きくなっていることがわかる。このことから、円盤が二重フレア構造であることが明らかになった。(b)星間塵が出す電波の分布。波長0.9mmと1.3mmのどちらも、中央面(黒点線)が半径40～60天文単位の位置から外側でわずかに水平から鉛直方向に歪んでおり、内側と外側で円盤の傾きが異なることが分かる。 (C)Sakai et al.

このような構造は「ワープ構造」と呼ばれ、これまで「伴星」を持つ進化の進んだ原始惑星系円盤でのみ確認されていたものである。今回、伴星を持たない、かつ形成初期の円盤で発見されたことから、近年この構造が多様な惑星系で発見されていたことへの理解が深まると考えられるという。

さらに、波長1.3mmに対する0.9mmの電波の相対強度と半径の関係から、半径60天文単位よりも内側において、有意に0.9mmの電波強度が相対的に弱くなっていることが明らかになった。2つの波長帯間の相対強度が星間塵の大きさに依存し、短い波長の相対電波強度が小さくなるほど星間塵のサイズが大きいことを示していると考えられるが、この変化の空間分布は今まで、このような若い円盤で捉えられたことはなかったという。

  • 相対電波強度の半径依存性

    相対電波強度の半径依存性。北側と南側の観測データの平均から求めた、波長1.3mmに対する0.9mmの電波の相対強度と原始星からの距離(半径)の関係。半径60天文単位より内側で0.9mmの電波強度が相対的に小さくなっており、これは、円盤の内側にサイズの大きな星間塵が存在することを示す。なお、半径25天文単位以下は、正確に光学的厚み効果補正ができないため参考値である。(C)Sakai et al.

検出された初期円盤は厚いことから、その後、重力束縛によって薄い構造になっていくと考えられる。解析結果から、このような初期円盤では、すでに星間塵が成長し始めている可能性が示唆される。これは、円盤内での構造形成、すなわち惑星形成へとつながるきっかけを表す現象かもしれず、従来の惑星形成に関する理解を大きく変える結果となる可能性があるという。

研究グループではこれらの結果を踏まえ、IRAS04368+2557は原始星進化の初期段階にあることから、ワープ構造の存在は、過去に降着したガスの角運動量が時期によってわずかに異なっていた可能性も考慮できるとしている。また、原始星へ重力で集められるガスは、周囲のガス分布に密度のゆらぎがあるとしたうえで、ワープ構造の存在はどこの天体でも起こり得る一般的現象である可能性も示唆した。さまざまな構造の系外惑星系の起源解明に向けた、他の初期円盤構造の詳細観測が期待される。