ウェッブ宇宙望遠鏡が原始星周辺の氷の粒から複雑な有機化合物を発見

私たち生命の起源を宇宙の視点から解明することは、宇宙生物学の目的のひとつかもしれません。ビッグバン以降、水素やヘリウムといった軽元素が生成され、核融合や超新星爆発などの天体現象を通じてさまざまな原子や分子が誕生していきました。これらの過程で生じた炭素を含む有機化合物は、生命の基本的な構成要素となります。そのため、有機化合物から生命が誕生したシナリオを宇宙の歴史の文脈で作り上げることは、地球以外の惑星に知的な生命体が存在するのかを考える上で重要なヒントとなりえます。

オランダ・ライデン大学のW. R. M. Rocha氏らの研究グループは、「ジェイムズ・ウェッブ」宇宙望遠鏡を使い、原始星「IRAS 2A」と「IRAS 23385」の周辺から、エタノールや酢酸といった複雑な有機化合物を含む氷の粒を発見したという論文を発表しました。

【▲「ジェイムズ・ウェッブ」宇宙望遠鏡に搭載された中間赤外線観測装置（NIRI）で撮像した原始星「IRAS 23385」（Credit: NASA, ESA, CSA, W. Rocha (Leiden University)】

生命の源である海が誕生した謎

単純なアルコールやエステル、ニトリル、エタノールのように、炭素原子1個以上、計6個以上の原子をもつ分子は複雑な有機分子（COMs: Complex Organic Molecules、以下COMs）と命名されており、系外惑星の原料となる材料です。こうした系外惑星の原型は、星間物質が「原始星」を取り巻くように集まった原始惑星系円盤であり、衝突や合体を繰り返すことで惑星へと進化していきました。このため、COMsが原始星周辺に存在することは、地球型惑星がハビタブルになる条件のひとつだといいます。

研究グループによると、こうしたCOMsがガス相に存在するのか、あるいは氷の粒の中に存在するのかという問いは、惑星系に水や有機物質を提供する方法を知る上で重要だといいます。地球のように広大な海をもつ惑星は珍しく、多くの地球型惑星は乾燥した地表をもつとみられています。地球型惑星に有機物質を効率よく届けて広大な海を形成するためにはCOMsが氷の粒子内に存在する必要があるものの、これまでは温かいガス相からしか発見されてきませんでした。

有機分子の検出に高い解像度を発揮するウェッブ宇宙望遠鏡

原始星の周辺に存在する有機分子を特定するために用いられるのが赤外線観測装置です。原子や分子はそれぞれ固有の回転運動や振動をしており、こうした運動は特定の波長の赤外線の吸収につながります。そのため、赤外線を観測することで、どのような原子や分子が存在するかが判明するといいます。

【▲「ジェイムズ・ウェッブ」宇宙望遠鏡のMIRIで確認された原始星「IRAS 2A」周辺の有機分子。（Credit:NASA, ESA, CSA, L. Hustak (STScI). Science: W. Rocha (Leiden University) ）】

これまで、メタノール（CH3OH）よりも大きな分子が氷の粒の中から検出された事例はありませんでした。しかし今回、ウェッブ宇宙望遠鏡を用いた観測によって、氷の粒に含まれるギ酸メチル（CH3OCHO）、エタノール（CH3CH2OH）、アセトアルデヒド（CH3CHO）、酢酸（CH3COOH）などのCOMsが検出されただけでなく、これらのCOMsが氷の粒で形成された可能性があることが明らかになりました。氷の粒からCOMsが発見された要因のひとつとして、ウェッブ宇宙望遠鏡に搭載された赤外線観測装置のもつ高い分解能が論文で指摘されています。

ウェッブ宇宙望遠鏡が打ち上げられる前に赤外線観測に使用されてきた宇宙望遠鏡として、2020年1月まで運用されてきた「スピッツァー」宇宙望遠鏡が挙げられます。スピッツァー宇宙望遠鏡は明るい低質量の原始星を観測する程度に十分な感度をもつ一方で、スペクトル解像度は高くありませんでした。これに対して2021年12月に打ち上げられたウェッブ宇宙望遠鏡は、中解像度分光器（MRS: Medium Resolution Spectrograph）を伴う中間赤外線観測装置（MIRI:Mid-Infrared Instrument）を搭載していて、質的に優れたスペクトル分解能をもちます。MIRIは7〜8μmの波長で高い感度を発揮し、スピッツァー宇宙望遠鏡の分解能（約60）を上回る3500〜4000程度の分解能をCOMsに対してもつといいます。

NASAジェット推進研究所（JPL）は、原始星「IRAS 2A」が低質量であることから、太陽系の初期段階との類似性を指摘しています。今回、ウェッブ宇宙望遠鏡が氷の粒からCOMsを発見したことで、ガス相のCOMsは氷の粒が昇華したために発見されてきたのだと考えられ、地球型惑星に届けられる有機分子の起源の理解を深められるとしています。

 

Source

NASA JPL - Cheers! NASA’s Webb Finds Ethanol, Other Icy Ingredients for WorldsAstrobiology at NASA - How Hot Were the Oceans When Life First Evolved?Astrobiology at NASA - Life, Here and Beyonddoi:10.1051/0004-6361/202348427 - JWST Observations of Young protoStars (JOYS+): Detecting icy complex organic molecules and ionsdoi.org:10.48550/arXiv.1801.05456 - The Delivery of Water During Terrestrial Planet Formation

文／Misato Kadono