NASAのウェッブ宇宙望遠鏡がロッキー惑星形成領域で水蒸気を検出

このアーティストのコンセプトは、恒星 PDS 70 とその内側の原始惑星系円盤を描いています。 NASAのジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡による新たな測定により、恒星から1億マイル未満の距離、つまり岩石惑星や地球型惑星が形成される可能性のある領域から水蒸気が存在することが明らかになった。 これは、2 つ以上の原始惑星が存在することがすでに知られている円盤の地球領域で水が検出されたのは初めてであり、そのうちの 1 つが右上に示されています。 クレジット: NASA、ESA、CSA、ジョセフ・オルムステッド (STScI)

この発見は、地球型惑星がそこで合体する可能性がある水の貯蔵庫があることを示している。

水、水、どこにでも – 水滴としてではなく、水蒸気として。 科学者が使用している NASAさんの ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 彼らは、PDS 70 系の渇いた惑星が水の貯留層にアクセスできることを発見しました。 最も重要なことは、この水蒸気が恒星から1億マイル以内、つまり地球のような地球型惑星が形成される可能性のある領域内で見つかったことだ。 (地球は太陽から約 9,300 万マイルの距離を周回しています。)

PDS 70 は太陽よりもはるかに温度が低く、推定年齢は 540 万年です。 そこには 2 つの既知の巨大ガス惑星が存在しており、そのうちの少なくとも 1 つは依然として物質を蓄積し、成長しています。 2つ以上の原始惑星が存在することがすでに知られている円盤の地球領域で水が検出されたのはこれが初めてである。

ウェッブの MIRI (中赤外線装置) で得られた PDS 70 の原始惑星系円盤のスペクトルは、水蒸気からの多数の輝線を示しています。 科学者らは、恒星から1億マイル未満の距離にあるこの系の内側の円盤、つまり岩石惑星や地球型惑星が形成される可能性のある領域に水が存在していることを突き止めた。 クレジット: NASA、ESA、CSA、ジョセフ・オルムステッド (STScI)

ウェッブ宇宙望遠鏡が岩石惑星形成領域で水蒸気を検出

私たちが知っているように、水は生命にとって不可欠です。 しかし、水がどのようにして地球に到達したのか、そして同じプロセスが遠くの恒星を周回する岩石系系外惑星の種を蒔くことができるのかどうかは、依然として科学的な議論の対象となっている。 これらの議論は、370 光年離れた PDS 70 惑星系からの新たな洞察から恩恵を受ける可能性があります。 この星系には、50 億マイル (または 80 億キロメートル) のギャップによって分離されたガスと塵の内側と外側の円盤が含まれています。 2 つの既知の巨大ガス惑星がこのギャップ内に存在します。

NASAのジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のMIRI（中間赤外線装置）が収集した新しいデータは、星から1億マイル（1億6000万km）未満の距離にある、系の内側の円盤に水蒸気があることを明らかにした。この領域には、岩石惑星や地球型惑星が形成される可能性がある。 (地球は太陽から約 9,300 万マイルの距離を周回しています。) すでに2つ以上の原始惑星の存在が確認されている円盤の地球領域で水が検出されたのは今回が初めてであることに留意すべきである。

ドイツ、ハイデルベルクのマックス・プランク天文学研究所（MPIA）の筆頭著者ジュリア・ペロッティ氏は、「他の円盤に水があることは確認されているが、現在惑星が集まっている系にはそれほど近づいていない。ウェッブ以前にはこの種の測定はできなかった」と述べた。

「この発見は、岩石質の地球に似た惑星が通常形成される領域を調査するものであり、非常に興味深いものです」と、論文の共著者であるMPIA所長のトーマス・ヘニング氏は付け加えた。 ヘニング氏は、検出を行ったウェッブの MIRI (中赤外線円盤調査) プログラムの共同主任研究者であり、データを取得した MINDS (MIRI 中赤外線円盤調査) プログラムの主任研究者でもあります。

惑星形成のための高温環境

PDS 70 は太陽よりもはるかに低温の K 型星で、推定年齢は 540 万年です。 これは、惑星形成円盤を持つ星としては比較的古いものであり、水蒸気の発見は驚くべきものでした。

時間の経過とともに、惑星形成円盤のガスと塵の含有量は減少します。 中心星の放射線や風がそのような物質を吹き飛ばすか、塵が成長して大きな天体になり、最終的には惑星を形成します。 これまでの研究では、同様の年代の円盤の中心領域に水を検出できなかったため、天文学者らは、この水は過酷な恒星からの放射線に耐えられず、岩石惑星の形成には乾燥した環境になるのではないかと考えていた。

天文学者は、PDS 70 の内側円盤内で形成されている惑星をまだ検出していません。しかし、岩石世界を構築するための原料がケイ酸塩の形で存在していることは確認しています。 水蒸気の発見は、もし岩石惑星がそこで形成されていたなら、最初からそれらの惑星には利用可能な水があったであろうことを示唆している。

かなりの量の小さな塵粒が見つかりました。 水蒸気の発見に加えて、円盤内部は非常に興味深い場所であると共著者であるオランダのラドボウド大学のレンツ・ウォーターズ氏は述べた。

水の起源は何ですか？

この発見は水源に関する疑問を引き起こします。 MINDS チームは、その結果を説明するために 2 つの異なるシナリオを検討しました。

可能性の 1 つは、水素と酸素原子が再結合するときに、私たちが検出しているように、その場で水分子が形成されることです。 2番目の可能性は、氷に覆われた塵の粒子が冷たい外側の円盤から熱い内側の円盤に移動し、そこで水の氷が昇華して蒸気に変わるというものです。 塵は 2 つの巨大な惑星によって形成された巨大な裂け目を通過する必要があるため、この輸送システムは驚くべきものとなるでしょう。

この発見によって提起されたもう一つの疑問は、星の紫外線が水分子を破壊しなければならないときに、水が星の近くでどのようにして生き残ることができるのかということである。 おそらく、塵やその他の水粒子などの周囲の物質が保護シールドとして機能します。 その結果、PDS 70 の内部ディスクで検出された水は破壊を免れることができました。

最終的に、チームは他の 2 つの Webb 機器、NIRCam (近赤外線カメラ) と NIRSpec (近赤外線分光計) を使用して PDS 70 を研究し、理解を深めていく予定です。

これらの観測は、保証時間観測 1282 の一部として行われました。この発見は雑誌に掲載されました。 自然。

参考文献：「PDS 70 の惑星形成領域の水」G. Perotti、V. Christiaens、Th 著ヘニング、B. タボーン、LBFM、ウォーターズ、I. キャンプ、G. ラゲージ、T. P. レイ、B. ヴァンデンブッシェ、A. アベルゲル、O. アブシル、A. M. アラバヴィ、I. アルジリオウ、D. バラード、A. ボッカレッティ、A. カラッティ・オ・ガラッティ、V. ギアーズ、A. M. グラウザー、K. ジュスタノン、F. ラウイ、M. オン、N. 自然。
DOI: 10.1038/s41586-023-06317-9

ジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡は、世界有数の宇宙科学天文台です。 ウェッブは、太陽系の謎を解き明かし、他の星の周囲の遠い世界に目を向け、神秘的な構造、宇宙の起源、そしてその中での私たちの位置を調査します。 Webb は、NASA とそのパートナーである ESA が主導する国際プログラムです (欧州宇宙機関）とカナダ宇宙庁。