ジェームズ・ウェッブ望遠鏡が巨大惑星形成を明らかに：時間との宇宙競争

要約:

NASA のジェームス ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) による数十の若い太陽に似た恒星の観測は、惑星形成円盤からガスを剥ぎ取る力が星系の成熟につれて変化することを示しています。

若い星の周りに惑星を作るために使われたガスは消え続けています。ウェッブ望遠鏡からの新しい観測は、このガスの損失が惑星系の初期進化のすべての段階で同じように起こるわけではないことを示しています。その代わりに、星系から物質を運び出す役割を担う恒星風が、星系が老朽化するにつれて変化するようです。

アリゾナ大学のナマン・バジャージ氏が主導し、SETI研究所の科学者ウマ・ゴルディ氏が参加したこの研究は、72個の若い太陽に似た恒星の周囲の原始惑星系円盤を分析した。これは、これまでの惑星形成に関するウェッブ望遠鏡による研究の中で最大のものの 1 つです。この研究では、原始惑星系円盤の進化のさまざまな段階で、さまざまなガス除去メカニズムが支配的になることが判明した。関連する結果は天文学ジャーナルに掲載されています。

ゴルディ氏によると、興味深いことに、研究者たちは若い星の大量のサンプルを使用して、惑星形成円盤からガスを取り除くメカニズムが時間の経過とともにどのように変化するかを観察できるようになったという。原始惑星系円盤の消散は、惑星形成の基本時計を設定します。ガスがなくなると、ガスが豊富な巨大惑星が形成される可能性は実質的になくなります。

現在の太陽系は誕生して約 45 億年ですが、そのほとんどは空です。しかし、太陽の誕生から最初の数百万年の間、若い太陽は高密度の原始惑星系円盤に囲まれており、その中のガスの質量は塵の約100倍でした。最終的に、このガスの大部分は消滅します。

原始惑星系円盤内のガスは木星や土星などの巨大惑星形成の原料となるため、ガスの消失速度は非常に重要です。ガスが早期に消失すると、惑星にはかなりの大気を形成する時間がなくなる可能性があります。

Bajai らは、ウェッブ望遠鏡の中赤外線観測装置 (MIRI) からのアーカイブされた観測結果を使用して、原始惑星系円盤の進化を再構築しました。これら 72 の星系は、若い惑星系の発展のさまざまな段階にあります。研究者らは、原始惑星系円盤からガスを除去する機構が年齢とともにどのように変化するかを追跡するために、それらを進化の順序に組み合わせた。

この研究では、ウェッブ望遠鏡が問題の物質を直接観測できるようになる前に行われた理論的予測も検証しています。 2020年には、月惑星研究所のイラリヤ・パスクッチ教授が論文の2人目の著者となり、バジャージ氏の指導者を務めた。彼女はかつてジェット機と恒星の風の進化を研究するチームを率いていました。当時、ウェッブ望遠鏡はまだ運用されていなかったため、研究者らは水素分子を直接観察することはできなかったが、若い星系にはX線光子を遮るほどの巨大な分子風が存在する可能性があると予測した。今回、ウェッブ望遠鏡は分子状水素を直接追跡することでこの予測を確認しました。

研究者らは、原始惑星系円盤から放出される 2 つのガス、分子状水素とイオン化したネオンの信号に焦点を当てました。水素分子は、原始惑星系円盤に最も豊富に存在する分子です。ウェッブ望遠鏡の優れた感度と空間分解能により、研究者はネオン追跡ジェットや恒星風から広範囲の水素分子風を区別することができました。

最も若い星系では、物質は依然として中心星に向かって落下しています。ウェッブ望遠鏡は、これらの系に強力なジェットと、分子ガスと原子ガスの両方を含む幅広い流出があることを発見しました。それらの特徴は、原始惑星系円盤を貫通する磁場によって駆動される恒星風と一致しています。ガスは磁力線に沿って外側に移動し、その過程で質量と角運動量を奪います。

星系が成熟するにつれて、中心星に向かって落下する物質は減り、ジェットは弱まり始め、流出に含まれる原子ガスの割合はますます高くなります。高エネルギー放射線を遮る物質が少ないため、若い星から放出される高エネルギー放射線は原始惑星系円盤の奥深くまで浸透し、ガスを十分に加熱して逃げることができます。このプロセスは光蒸着と呼ばれます。

ゴルディは、光蒸発風の発生における紫外線や X 線放射の役割など、原始惑星系円盤の進化とそのガス損失プロセスの研究に数十年を費やしてきました。ウェッブ望遠鏡は現在、この理論的研究を、数十の若い星系の観測を通じて実際の測定に結びつけています。観測によると、原始惑星系円盤が老化するにつれて、光蒸発の重要性が高まる一方で、磁場によって駆動されるジェットや恒星風が徐々に弱まることがわかっています。

観測により、原始惑星系円盤の散逸は単一のメカニズムによって制御されていないことが示されています。若い惑星系は、初期段階では強力な磁場によって駆動されるジェットや恒星風によって支配されていた状態から、徐々に光蒸発風などの原子ガスの流出によって支配されるようになる移行を経験しているようです。

この支配的なメカニズムの変化によって、惑星が形成に必要なガスをどれくらいの期間で得ることができるかが決まります。

惑星形成は実際には時間との勝負だ、とバジャージ氏は語った。木星のような巨大ガス惑星は、その原始惑星系円盤がまだガスを継続的に供給できるほど大きい間に、大気を発達させなければなりません。そうでなければ、恒星風やジェット機がこれらの原材料を宇宙に運んでしまうでしょう。

72 個の原始惑星系円盤のうち、66 個では広範囲の水素分子と電離ネオンの放出が見られます。研究者らは46のシステムで円錐形の水素分子風を、40のシステムで高速ネオンジェットを検出した。ネオンジェットを伴うすべての原始惑星系円盤には、水素分子または酸素分子によって追跡された恒星風の証拠も示されています。

この新しい分析は、チームによる以前のウェッブ望遠鏡観測に基づいています。 2024年、バジャージ、ゴルディらは、若い星T Chaの周りの惑星形成円盤がガスを失いつつあることを示す画像を撮影した。

これまでの研究では、ウェッブ望遠鏡が単一惑星系における原始惑星系円盤の散逸過程を直接観察できることが証明されています。この研究では、このアプローチを数十の若い星に拡張し、星系が成熟するにつれてジェット、分子風、原子風の相対的な重要性がどのように変化するかを明らかにしました。

研究者らは次に、これらの恒星風がさまざまな時期にどれだけの量のガスを運び去るか、そして原始惑星系円盤のどの領域が流出するガスの物質源となっているかを解明したいと考えている。これらの測定は、惑星形成の窓がどれくらい早く閉じるかを明らかにするだけでなく、利用可能なガスが消滅する前に原始惑星系円盤のどこにさまざまな種類の惑星が形成された可能性があるかを科学者が正確に判断するのに役立つ可能性がある。