磁力線を巻き込み成長する赤ちゃん星

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生まれたばかりの原始星をサブミリ波で観測したデータから、磁場を巻き込みながら原始星が成長する様子が初めて詳細にとらえられた。

【2023年2月16日 鹿児島大学ジェームズ・クラーク・マクスウェル望遠鏡

「おうし座分子雲」はおうし座からぎょしゃ座、ペルセウス座などにかけて広がる大きな分子雲で、地球から約450光年と最も近い星形成領域だ。生まれたばかりの若い星がたくさん存在するが、大質量星があまりなく、個々の天体を観測しやすい。

おうし座
おうし座付近。おうしの「角」のあたりに広がる暗黒星雲がおうし座分子雲(白い線で囲まれた領域)。その南にプレアデス星団(M45、すばる)がある。矢印はおうし座の1等星アルデバラン(提供:Akira Fujii/David Malin Images)

分子雲の中でとくに物質が濃く集まっている部分を分子雲コアといい、この分子雲コアが重力で収縮することで新たな赤ちゃん星(原始星)が誕生する。分子雲コアの内部では、ガスの乱流や磁場など、ガスの重力収縮をさまたげる力も働くため、原始星ができる初期段階を理解するためには、重力と乱流や磁場の作用をあわせて知ることが重要だ。

鹿児島大学の深谷紗希子さんたちの研究チームは、米・ハワイのジェームズ・クラーク・マクスウェル望遠鏡(JCMT)を使い、おうし座分子雲にある分子雲コアの一つ「L1521 F」の周囲をサブミリ波で観測した。L1521 Fの中心には質量が太陽の0.2倍程度の原始星が生まれていて、原始星の周りのガスが複雑な運動をしていることがわかっている。

一般に、分子雲には大量の塵が含まれていて、この塵からサブミリ波という電波が熱放射として放射される。このとき、分子雲の内部に磁場が存在すると、特定の向きに振動するサブミリ波が多くなる「偏波」が生じる(可視光線の「偏光」と同じ現象)。そのため、偏波を観測すれば分子雲内部の磁場の方向がわかる。そこで深谷さんたちは、L1521 Fの周辺から放射されるサブミリ波の偏波の様子を詳しく観測した。

おうし座分子雲
赤外線天文衛星「ハーシェル」が波長250μmの遠赤外線で撮影したおうし座分子雲。赤い円がL1521 Fの位置(提供:André et al. 2010)

観測の結果、L1521 Fの外縁部では磁場がほぼ南北方向を向いているのに対して、より温度が高いコアの中心部では東西方向の磁場が卓越していることが明らかになった。また、観測されたサブミリ波のスペクトルをモデルと組み合わせることで、原始星の半径が太陽半径の約11倍で温度は約2000Kであること、原始星から吹き出す双極分子流という流れによって、分子雲コアに空洞ができているらしいことなどがわかった。さらに、L1521 Fではガスを収縮させる重力の方が収縮をさまたげる磁場の力よりも強い状態にあることも明らかになった。

これらの観測結果を基に、L1521 Fのガスや磁場の詳細な3次元構造を磁気流体力学(MHD)シミュレーションで計算したところ、この分子雲コアには全体として南北方向の磁場が存在しているが、中心で生まれたガス円盤の回転軸は磁場に対してほぼ横倒しになっていて、そのために中心部ではガス円盤の回転で磁場がねじ曲げられ、東西方向の磁場が強く見えていると考えられることがわかった。成長しつつある原始星のガス円盤と磁場の相互作用を観測データからこれほど詳しく再現できたのは世界初だ。

L1521 Fの3次元構造
シミュレーションで再現されたL1521 Fの3次元構造。赤が磁力線、緑が原始星を取り巻くガス円盤、青が原始星から噴き出す双極分子流を示す。磁場の方向と原始星円盤の回転軸が約85度傾いていると仮定すると観測結果を最も良く再現できることがわかった(提供:鹿児島大学リリース)

研究チームでは、今後もL1521 Fのような天体をさらに調べ、星形成が起こっている典型的な分子雲コアの性質を明らかにしたいと考えている。「今回のJCMTの観測ではまさに星が生まれつつある瞬間がとらえていて本当にエキサイティングです。星形成の過程を理解することは、地球という様々な物質からなる惑星がどのように誕生したのかを知る上でも重要です。非常にわくわくします」(鹿児島大学 新永裕子さん)。

研究紹介: 深谷紗希子(Sakiko Fukaya)さんによる原始星の誕生 (分子雲コアL1521F)(提供:鹿児島大学理工学研究科理学専攻 新永研究室)