天文学者たちは、惑星が形成される瞬間を捉えた恒星系「HOPS-315」の観測結果を発表しました。 これは、地球がかつて形成されたのと同様のプロセスを示す貴重な瞬間です。
「HOPS-315」はオリオン座に位置しており、約1,300光年、すなわち約76兆マイルの距離にあります。 この恒星の周りにはガスと塵の円盤が渦巻いており、その中では岩石を焼くのに十分な高温が存在しながら、同時にそれらの岩石が再形成されるための冷却も行われています。
リーダーのメラニサ・マクルー氏（ライデン大学）は、国際チームを率いて惑星形成の最初の瞬間を解明しました。 彼女たちの発見は、惑星誕生の開幕の章を映し出す生きた実験室を提供しています。
初期の固体からの惑星形成
原始的な隕石には、カルシウム・アルミニウムを豊富に含む小さなインクルージョンがあり、これが太陽系の時計が46.7億年前に始まったことを示しています。 これらのインクルージョンは、高温の蒸気から凝縮し、私たちが知っているすべての地球型惑星に種を蒔きました。
凝縮から時計が始まるため、その一歩先の観測を捉えることは天文学者たちの白鯨でした。
今回の観測により、初めて望遠鏡がガス相の一酸化ケイ素（SiO）と新たに結晶化する硅酸塩を同じプロトプラネタリー円盤の同じ領域で確認しました。
マクルー氏のチームは、これらの鉱物を私たちの小惑星帯に相当する軌道の範囲内で発見しました。 これは重要であり、初期の化学状態が後に地球に水や金属を供給する区域に結びついていることを示しています。
HOPS-315のクリスタル形成
ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）は、HOPS-315を覆う塵のコクーンを貫通する赤外線を収集し、熱いSiO分子の特有のフィンガープリントを明らかにしました。 これらの分子は約1,200℃で輝いており、一般的な岩石のほとんどを蒸発させる温度です。
続いて、アタカマ大型ミリ波/サブミリ波干渉計（ALMA）が同じ領域をミリ波長で測定し、どこから輝きが出ているのかをマッピングしました。
二つの視点を組み合わせることで、科学者たちはガスと固体の両方の形態のケイ素が恒星から2天文単位も離れないリングの中に存在することを確認しました。
これらの観測を扱うのは困難です。なぜなら、HOPS-315はSiOに富むジェットも放出しているからです。 チームは、速度をチェックすることでジェットと円盤の信号を分離しました。 ジェットのガスは外向きに急速に進み、円盤の物質は穏やかに軌道を回ります。
最後のチェックでは、異なるSiOのラインの明るさを比較しました。 比率は、活発に凝縮している蒸気のための実験室の予測に一致しました。
惑星はガスとクリスタルから形成される
結晶性硅酸塩は、冷却される蒸気が急激に温度を下げる場所で現れます。 両方の相が同じ場所に存在することで、凝縮が現在進行中であることが示されています。これは、最近ではなく、別の部分の円盤でもないのです。
「これは、プロトプラネタリー円盤において、また、太陽系外でこれまで観測されたことのないプロセスです」と、ミシガン大学の共同著者エドウィン・バーギン氏は述べました。
彼は「私たちは、地球の棚にある45.5億年前の隕石に封じ込められているのと同じ鉱物を、別の星系のこの場所で実際に見ているのです」と付け加えました。
「凝縮ゾーンは、私たちの小惑星帯とほぼ同じ軌道半径に位置しています」と、アメリカ機能性繊維センター（AFFOA）の共同著者ローガン・フランシス氏は述べています。
これらの鉱物粒子は1マイクロメートル未満のサイズですが、これは1キロメートル規模の微惑星に向けた最初のステップを示しています。 電気静的力によって、数千年の間に集まり、その後重力がそれを引き継ぎます。
HOPS-315は地球の起源を反映
実験室の研究では、二酸化ケイ素を豊富に含む鉱物が最初に凝縮し、その後すぐに鉄-ニッケル合金が続き、さらに揮発性の化合物が続くことが示されています。 HOPS-315周辺の熱いSiO蒸気を見ることは、そこで同様の化学的プロセスが進行していることを示唆しています。
科学者たちは、恒星の光度と円盤の温度勾配を推定することにより、結晶性硅酸塩がおおよそ月の十分の一の質量を持つ可能性があると結論づけました。 これは、後の成長が効率的な場合、複数の岩石惑星を種にするには十分です。
コンドリュールに関する同位体の研究から、私たちの太陽系の最初の構成要素が最初の百万年の間に形成されたことが示されています。 HOPS-315を通じて、これは実時間でテスト可能な時間枠です。
天文学データと同位体クロノメトリーを照合することで、隕石研究だけでは得られない、惑星形成に関するより明確な画像を提供することが期待されます。
この発見は、地球に炭素が少ない理由に光を当てるかもしれません。 もし初期の鉱物がすぐに酸素やケイ素をトラップするなら、炭素はガスの状態に長く留まり、新生の世界に結合する前に外側へ押し出される可能性があります。
惑星形成の観察の次
今後1年にわたり、ALMAはHOPS-315に戻り、円盤の外側に水氷を探す予定です。
もし水が硅酸塩のリングの外に整列すれば、天文学者は岩石の種が氷の殻を取得する前に内部へ移動するかどうかを検証できます。 これは、なぜ地球が海を持つ結果になったのかを説明する手助けになるかもしれません。
JWSTは、SiOの特徴がどのように進化するかを追跡します。 定常的な減少は蒸気が凍結することを示し、一方で急増は磁気フレアやスパイラルショックからの加熱バーストを示すかもしれません。
HOPS-315の特定の事例を超えて、この結果は岩石惑星が一般的であるという確信を高めます。 凝縮が非常に早く始まる場合、多くの星はガス円盤が分散される前に惑星形成を開始し、世界が移動、衝突、そして安定した軌道に定着するための時間を残します。
ES0の天文学者エリザベス・ハンフリーズ氏（研究に関与していない）は、チームが最初の固体を特定できたことに「本当に感銘を受けた」と述べています。 彼女は、ウェッブとALMAの共同作業が、生命を保持する惑星へのステップが私たちが期待していたよりも早く始まる宇宙の姿を明らかにしていると主張しています。
この研究は『Nature』に掲載されました。
画像の出所：earth