惑星が誕生するタイミングをとらえる

【2023年6月30日 アルマ望遠鏡】

太陽程度の質量をもつ星は1億年ほどかけて形成されると考えられている。その際、周囲には惑星系の元となる円盤も形成されるが、円盤は星形成開始から数百万年後に消失してしまう。つまり惑星系はその数百万年の間に形成されると推測されるが、どの段階で作られるのかは、はっきりとしていない。

最近のアルマ望遠鏡を用いた高分解能の観測から、星形成開始から100～1000万年程度経過した若い星の原始惑星系円盤は、塵の集まった部分が同心円状のリングになり、その間にギャップのある構造となっている様子が見えてきた。このギャップは、円盤の物質を掃き集めながら惑星が成長したことで作られたのだと考えられる。そこで、星の形成から100万年が経過したころには、既に惑星系形成がかなり進行しているか、ほぼ完了していると示唆される。

「これらのアルマ望遠鏡の結果を踏まえると、『星形成過程のどの段階で惑星系が形成されるのか』という問いに答えるためには、星形成のより初期段階を調べる必要があります」（台湾中央研究院天文及天文物理研究所 大橋永芳さん）。

原始星周囲の円盤の想像図（提供：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)）

そこで大橋さんたちの研究チームは、星形成開始から1～10万年程度の初期段階にある原始星周囲の円盤を対象に、円盤内の塵（惑星の材料）が出す電波をアルマ望遠鏡で観測する大型プログラム「Early Planet Formation in Embedded Disks (eDisk)」を開始した。

これまでにも、原始星周囲の円盤に着目した観測的研究は行われているが、限られた数の天体を個々に調べるにとどまっていた。また、0.1秒角を切るような高い空間分解能の観測もごく一部の天体に限られていた。対してeDiskでは、地球からおよそ650光年以内に位置する、19の原始星を取り巻く円盤を、0.04秒角という非常に高い空間分解能で観測し、円盤の構造を詳細に調べることに成功した。

今回観測された連星系4天体を含む、原始星19天体周囲の円盤。連星系4天体のうち、1天体は主星と伴星周囲の円盤を別々に表示している（2段目一番右と3段目一番左）。左上の円盤ほど若く、右下ほど進化が進んでいる。一番右下の最も進化した2つの円盤で淡いリングとギャップの構図が見られる。各像のグレーの線は20au（約30億km）に相当（提供：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), N. Ohashi et al.）

観測の結果、これらの原始星の円盤は、より進化が進んだ星の原始惑星系円盤とは大きく異なる特徴を示すことが明らかになった。

19天体中、リングやギャップが見られたのは、比較的進化の進んだ数個の原始星周囲の円盤だけだった。しかも、その構造は進化の進んだ原始惑星系円盤のものと比べて非常に淡い。さらに、多くの原始星の周囲では塵が円盤面に集積せず、周りに散らばった状態にあることもわかった。これまでの観測から、より進化の進んだ星系の円盤は厚みが薄いことがわかっており、塵の沈殿が進んで惑星形成の準備ができている段階にあると考えられている。

「今回の結果から、惑星系形成は星形成開始後10万年から100万年ぐらいにかけて、急速に進むと考えられます」（米国立電波天文台 John Tobinさん）。