JWST が地球の水の宇宙起源を追跡

天文学者たちは、地球がどのようにしてこれほど水が豊富になったのか、深海、凍った氷河、空から湖、川、湿地に降り注ぐ雨が豊富になったのか、長い間疑問に思ってきました。水は、宇宙で 1 番目と 3 番目に豊富な元素で構成されており、一見簡単に作成できる分子です。しかし、私たちのような岩石惑星へのその輸送の詳細は、宇宙における生命の蔓延を理解するために重要である可能性があるにもかかわらず、ほとんど知られていないままです。

水は、複雑な有機分子を組み立てるための強力な媒体であり、私たちが知っているように、生命の出現と発達のための避難所を提供します。地球の深部では、気候を安定させるプレートテクトニクスが停止するのを防ぐ石質の潤滑剤が提供されており、これも生命にとって不可欠である可能性のあるメカニズムです。そして、氷として凍ると、若い世界の成長を助ける接着剤を提供することで、惑星の形成に重要な役割を果たします。このため、科学者たちは、惑星の水の循環、つまり惑星を乾いた岩石から地球のような湿った世界に変えるために必要な経路について、より深く理解したいと熱望しています。

さらなる洞察を得るために、天文学者たちはジェームス・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) を使用して原始惑星系円盤、つまり惑星が現在活発に形成されている若い星の周りのガスと塵の渦を観察しています。天文学者らはこれまでにこのような円盤内の水を観察したことがあるが、その視界は曇っていた。たとえば、水蒸気は、多くの点で地球上で最も強力な電波観測所であるアタカマ大型ミリ波/サブミリ波アレイ (ALMA) で見ることができますが、この装置は水の氷をほとんど検出できません。これにより、原始惑星系円盤の外側領域がアルマ望遠鏡の探査機から遮断されます。また、このアレイは、地球天体が形成される円盤の高温の内部領域を深く調査することもできません。しかし、JWST はそのような研究を念頭に置いて設計されており、文字通り—水門を開けてください。新しい宇宙観測所は、水が巨大な星を形成する分子雲から原始惑星系円盤、そして最終的に惑星にどのように移動するのかについて前例のない視点を提供し、私たちの水の世界が特別なのか、それとも共通なのかを含め、宇宙生物学にとって重要な意味を持つ。

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「JWST を使用すると、突然新しい眼鏡をかけたようなもので、はるかに鮮明な視界が得られます」と原始惑星系円盤を研究するテキサス州立大学の天文学者アンドレア・ベンセッティ氏は言う。

水の宇宙の旅は、ビッグバンから数億年後に始まりました。そのとき、最初の星が水素貯蔵庫を通じて激しく融合してより重い元素を形成し、超新星爆発を起こし、宇宙に酸素を与えました。この時点で、単一の酸素原子が 2 つの水素原子と混合して水の分子を形成する可能性があります。この分子は、宇宙の創造と破壊のサイクルの中で、星やその他の天体物理学的源からの高エネルギー放射線によって再び分離される可能性があります。しかし、遅かれ早かれ、場合によっては間違いなく数十億年後、そのような水は分子雲の冷たい境界にたどり着き、そこで新たな混沌とした暴力的な旅が始まることになる。分子雲は、塵と凍ったガスの巨大で冷たい塊であり、豊富な水の氷を含み、星と惑星の両方のゆりかごとして機能します。雲の一部が臨界密度に達すると、重力によって高密度のほぼ球形の領域が平らで渦を巻く原始惑星系円盤に崩壊し、その中心に輝く新生星が存在します。このプロセスの多くは塵に隠されており、JWST までは研究がほぼ不可能であることが判明しています。ハーバード大学の天文学者カリン・オバーグ氏は、「JWSTの驚異的な感度によって、通過する数少ない光子を捕らえ、星や星が形成され始める直前の氷の粒の特徴を明らかにすることができた」と語る。

そこから、成長する星は、それを包む円盤から落下する物質によって供給され、より多くの光と熱を生成し、潜在的に円盤の水分子を破壊して、さもなければ世界に流れるであろう水分を焼きます。このプロセスがあまりにも効率的に行われれば、その結果、乾燥した惑星系で満たされた銀河ができ、私たちはここにはいないかもしれません。これが、ほとんどの科学者がそうではないのではないかと疑う理由です。どういうわけか、水は静止した分子雲から、灼熱の星形成円盤を無傷で通過しなければなりません。

2021年、国立電波天文台の天文学者ジョン・トービンらはアルマ望遠鏡を使用して、地球から1,305光年離れた円盤を冠した原始星V883オリオン座を観測した。この原始星は、太陽よりわずかに重いだけだが、約200倍明るく輝いている。原始星の輝きは氷の外円盤を加熱し、氷を水蒸気に変え、アルマ望遠鏡の電波視覚のビーコンとなります。それは幸運な休憩でした。トービン氏のチームは、半重水、つまり水分子の 2 つの標準的な軽い水素原子のうちの 1 つを、より重い水素同位体である重水素が置き換えていることを観察しました。半重水は低温でのみ形成され、星形成に直接関係する高温では形成されないため、オリオン座 V883 付近のその起源は分子雲そのものに違いなく、水が星形成プロセスを変化せずに通過したことを示唆しています。実際、トービンと彼の同僚によって観察された半重水と普通の水の比率は、他の分子雲で観察された比率と完全に一致しました。これは、私たちの太陽系の彗星で見つかった比率とも一致しており、水が岩石の世界に到達する可能性があることを示唆しています。

天文学者たちは現在、地球型惑星は3つの異なる方法で水を得ることができると考えています。もしかしたら、水はもともとそこに存在し、惑星自体の構成要素である塵粒に覆われているのかもしれません。あるいは、降着する惑星が原始円盤内のガスから直接水蒸気を引き出し、重力によって岩石の中心の周囲に湿った大気を構築しているのかもしれません。あるいは、惑星が形成されると、惑星系の遠い領域から降ってくる氷の残骸によってもたらされた水を飲み込んだのかもしれない。トービンの結果は、この後者の経路が重要な役割を果たしているが、水を供給する彗星や隕石は単独で機能しているわけではないことを示している。地球上の水は、彗星で見られるものよりも普通の水に対する半重水の比率がわずかに低い。つまり、地球の水の多くは太陽系外縁部の氷の後背地から来ているが、その一部はおそらく太陽近くの高温にさらされた可能性がある。しかし、その暴露がどのようなものであるかは未解決の問題のままである。

答えを見つけるために、オーバーグ氏は宇宙地図を構築したいと考えています。これらの若い原始惑星系円盤の周りの水の位置をマークして、発生期の世界に栄養を供給するために利用できる場所を確認します。アルマ望遠鏡はすでに曖昧な全体像を描いており、JWST はそのギャップを見事な詳細で埋め始めています。昨年4月、ドイツのゲルヒングにあるマックス・プランク地球外物理研究所の天文学者シエラ・グラントとその同僚は、JWSTを使用して、これまで乾燥しているように見えた円盤内の水を観察し、十分に研究されたシステムからも新鮮な洞察を引き出す宇宙天文台の驚くべき能力を実証した。「私たちは JWST によってまさに新しい時代を迎えています」と Grant 氏は言います。「これまで検出できなかったものを検出できるようになったのは驚くべきことです。」

そして昨年8月、ドイツのハイデルベルクにあるマックス・プランク天文学研究所の天文学者ジュリア・ペロッティらは、1つではなく2つの巨大惑星を含むことがまだ知られている唯一の原始惑星系円盤であるPDS 70で水蒸気を検出した。それらの存在はおそらく、地球型惑星も内部円盤内、つまり天文学者が現在水を発見しているまさにその場所で合体していることを意味している。「Aの中心部で水蒸気が検出されたのはこれが初めてです。 惑星をホストする 「ディスク」とペロッティ氏は言う。これまでの観測では、水が全く存在しないことが示されたが、恒星に非常に近い強烈な放射線に耐えるために水に圧力がかかっていることを考えると、これは驚くべきことではなかった。現在、天文学者らは、地球上で後に誕生する乾燥した惑星を通って乾燥した惑星に到達するのとは対照的に、水は成長するにつれて単に惑星の大気を明るくすることができるし、実際にそうなっていることを知っている。豊かで、最初から十分な水がある。

それ自体が問題になる可能性があり、隣接する世界につながる可能性があるとオーバーグ氏は言いますまた水が豊富。科学者たちは現在、海洋世界では生命が誕生するのに苦労するだろうが、池のある大陸を持つ惑星の方がはるかに幸運に恵まれるだろうと考えている。これは、プレバイオティクス化学や複雑な化学系の台頭にとって不可欠であると考えられている反応の多くは、広大で希薄な海洋よりも小さくて濃縮されたプールの方がはるかに効率的に起こるためです。さらに、土地から浸食されるミネラルは水に必須の栄養素を加えます。しかし、宇宙がどれくらいの頻度で地球に似た球体を構築しているかを知るためには、まず若い原始惑星系円盤を理解する必要がある、とオーバーグ氏は主張する。それは、これらの円盤の周りの水の位置だけでなく、ある場所から別の場所へ水がどのように流れるかを示す宇宙地図を完成させることによってである。

しかし、特に円盤の外側と内側の間に大きな隙間がある PDS 70 では、水がどのようにして円盤の氷の外側領域から内側にこぼれるのかは明らかではありません。そして昨年11月、バンザッティ氏、オーベルグ氏らは、温度変化によって固体の水が液体または気体に変化する遷移領域であるシステムのスノーライン内で水蒸気を観察した。これにより、水が内部に移動する物理的プロセスが確認されました。 40年前、天文学者らは、外側円盤の水の氷が、数ミリメートルから数メートルのサイズの、より強力な固体物質、いわゆる凍った塵粒や小石の上を内側に漂い、やがて水蒸気の大きな霧の中で雪線と融合すると考えていた。これはベンセッティが示した正確な署名です。「これはまさに、この惑星形成の基本理論、つまり惑星の形成を促進するはずのこの「小石漂流」シナリオで予想されていたものです。 [terrestrial planets] さらには水を提供することもできる」とベンセッティ氏は言う。「この小さな手紙から、私たちは美しい物語を組み立てることができる。これはPDS 70にも影響を与える。ペロッティ氏は、このメカニズムが円盤の外側と内側の領域の間に隙間ができる前に水を導き入れたのではないかと疑っている。あるいは、はるかに小さい、まだ見たことのないミクロンサイズの氷の粉の上ではあるが、水は今でも隙間を通って移動し続けているのかもしれない。この粉塵は、一部の水の分子とともに、保護物質として機能する可能性がある」シールドし、多くの水分子の侵入を防ぎます。

このように、オーベルグの宇宙地図はますます詳細になってきており、原始惑星系円盤の多くの領域で広大な貯水池が発見されており、水が無数の方法で岩石の世界に流れる可能性があることを示唆している。しかし、天文学者たちは、いずれかのシナリオが優位であるかどうかをまだ知りません。「調査の現時点では、私たちは独占できる立場にはありません」とペロッティ氏は言う。たとえば、PDS 70 では、これらの地球型惑星はすぐに入手できる水の一部を失い、後で補充するために小惑星に依存している可能性があります。今後の観測により、惑星系の特定の特徴に応じて変化する可能性のある支配的な軌道が解明されるはずです。

たとえば、グラント氏は、水のダイナミクスが星の質量とともにどのように膨張するかを観察することに熱心です。これまでのところ、大質量星はほとんどが乾燥しているようです^⁠ 太陽に似た小さな星は比較的水が濃いように見えるが、グラント氏はいくつかの最も小さな星の特徴を知りたいと考えている。 M 矮星と呼ばれるこれらの星は暗いため、生命が存在するのに十分な温度になるには、それらの星を周回する惑星が近い軌道になければなりません。この特徴により、惑星ハンターが JWST や他の望遠鏡で星を研究することが比較的容易になります。彼らの親惑星円盤には水が少ないように長い間思われていましたが、新たなデータはそうではないことを示唆しています。昨年12月、バンザッティ、オーバーグらは、星の周りに水が豊富な円盤が存在する最初の事例を詳述した研究を発表した。グラントは、できる限り多くの小さな星を調査することで、この疑問をさらに調査する予定である。一方、バンザッティ氏が継続的に行っている 30 の異なるシステムからの雪線の分析では、小さくてコンパクトな円盤が、大きく伸びた隙間だらけの円盤が処理できる量よりも 10 倍多くの水を内部領域に送り込むことがすでに明らかになりました。水の宇宙の旅がついに焦点を当て始めています。

「これらの結果がまとまっていくのを見るのは本当にエキサイティングです」とトービン氏は言う。「今は素晴らしい発見の時代ですが、それでも、私たちは実際にそこにあるものの表面をなぞっただけです。」