アルマが鮮明にとらえた、巨大赤ちゃん星の産声

【2017年6月13日 アルマ望遠鏡】

宇宙には、太陽の10%以下の質量のものから太陽の100倍を超えるようなものまで様々な質量の星が存在している。太陽のような小質量星の形成過程は比較的よく解明されているが、太陽の10倍程度以上の質量を持つ大質量星の誕生メカニズムには未解明の点が多く残されている。小質量星は数が多く、太陽系の近くに形成現場も多く存在するので観測しやすい一方、大質量星は数が少ないうえに形成現場が非常に遠いため、詳しい観測が難しいからだ。

恒星の誕生メカニズムに関する未解決問題の一つに「角運動量問題」というものがある。星は宇宙空間を漂うガス雲が自らの重力によって収縮することで誕生するが、理論的にはガスの塊が収縮するにつれて回転が顕著になると予測されるのに対して、宇宙にある星はずっと緩やかな自転しかしていない、という矛盾だ。つまり、星は誕生する過程のどこかで回転の勢い（角運動量）を大量に捨て去っているはずである。

角運動量を捨てるメカニズムについてはいくつかの説があり、生まれたばかりの赤ちゃん星（原始星）が噴き出すガス（アウトフロー）が回転することによって角運動量を持ち去るという考え方が一般的だった。その証明にはアウトフローの回転を検出し、アウトフローの駆動メカニズムを明らかにすることが重要だが、特に大質量原始星は観測が難しいため、アウトフローの回転を実際に観測で描き出すことはこれまで困難だった。

国立天文台・総合研究大学院大学の廣田朋也さんたちの研究チームは角運動量問題を観測的に調べるため、大質量星の形成領域としては地球に最も近い1400光年彼方のオリオン座大星雲中に位置する「オリオンKL電波源I（アイ）」をアルマ望遠鏡で観測した。そしてオリオンKL電波源Iの周囲でガスが放つ電波を検出し、その動きを詳細に描き出すことに成功した。

アルマ望遠鏡が観測したオリオンKL電波源I。星を取り巻く円盤（赤）と、垂直に噴き出すアウトフロー（青）の分布がわかる（提供：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Hirota et al.）

アルマ望遠鏡の観測により、アウトフローの回転は根元が太く、原始星を取り巻く円盤の外縁部から噴き出していることが明らかになった。今回の観測以前にもオリオンKL電波源Iを取り巻くガスの円盤やアウトフローは様々な望遠鏡で観測されており、アウトフローの回転の兆候が検出されていたが、回転運動を詳細に調べることができたのはアルマ望遠鏡の高い解像度と感度のおかげだ。

アウトフローの成因については、細く収束された高速のガス流に周囲のガスが引きずられてできるという説や、原始星のごく近くの領域から放出されるという説もあったが、今回の観測結果は「磁気遠心力風」と呼ばれるメカニズムとよく合致していた。このメカニズムでは、回転する円盤の遠心力によって円盤のガスを外側に移動させるような力が働く。一方で、ガスは円盤を貫く磁力線に沿った方向に動きやすいため、遠心力によって外側に押されたガスは円盤表面から磁力線に沿って円盤の上空に流れ出していく。するとアウトフローは、星のごく近傍でなく、むしろ円盤の外縁部から噴き出すことになる。

小質量原始星では磁気遠心力風によるアウトフローの放出を裏付ける観測結果が既に発表されていたが、より遠い距離にある大質量星でその様子がはっきりととらえられたのだ。

「今回の新しい観測結果は、アルマ望遠鏡の高画質と高感度という特長に加えて、アルマにより初めて可能になったサブミリ波での高解像度撮像が重要な役割を果たしました。今後さらなる高解像度化によってオリオンKL電波源I以外にも多くの天体で同様の観測が行われ、理論的研究と合わせてアウトフローの駆動機構や大質量星形成機構の理解が進むと期待しています」（廣田さん）。

オリオンKL電波源Iの想像図。大質量原始星の周囲を円盤が取り巻いており、円盤外縁部の表面からアウトフローが吹きだしている様子が描かれている（提供：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)）