宇宙に水素とヘリウムしかない第一世代の恒星周りの原始惑星系円盤は重元素が大量にある第三世代の原始惑星系円盤より長寿命である可能性が高い。以下、機械翻訳。
NASAのウェッブ宇宙望遠鏡、惑星形成円盤が初期宇宙ではより長く存在していたことを発見
画像の中央には、オレンジとピンクの弧が船のような形をしています。これらの弧の一方の端は画像の右上を指し、もう一方の端は左下を指しています。オレンジとピンクの別の煙が、画像の中央から左上に向かって広がっています。この煙の右側には、白い星の大きな集団があります。画像全体に、その他のさまざまな白い星と、さまざまなサイズのいくつかの銀河が広がっています。画像全体のさまざまなポイントに重ねられた 10 個の小さな黄色の円は、この研究で調査された 10 個の星の位置を示しています。
これは、天の川銀河に最も近い矮小銀河の 1 つである小マゼラン雲内の巨大な星団である NGC 346 のジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡による画像です。
クレジット: NASA、ESA、CSA、STScI、Olivia C. Jones (UK ATC)、Guido De Marchi (ESTEC)、Margaret Meixner (USRA)
NASAのジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、20年以上前に同局のハッブル宇宙望遠鏡で行われた物議を醸した発見を証明することで、難問を解決した。
2003年、ハッブル宇宙望遠鏡は、宇宙とほぼ同じくらい古い恒星の周りに巨大な惑星が存在する証拠を示した。そのような恒星は、惑星の構成要素となる重元素をほんのわずかしか持っていない。これは、宇宙が非常に若かったときに何らかの惑星形成が起こり、それらの惑星が原始的な円盤内で形成され、木星よりも大きくなる時間があったことを示唆している。しかし、それはどのようにして起こったのか？これは不可解だった。
この疑問に答えるために、研究者たちはウェッブ望遠鏡を使って、初期宇宙と同じく大量の重元素を欠く近傍銀河の星々を研究した。研究者たちは、そこにあるいくつかの星々が惑星形成円盤を持っているだけでなく、それらの円盤の寿命が天の川銀河の若い星々の周囲に見られる円盤よりも長いことを発見した。
「ウェッブの観測により、ハッブル宇宙望遠鏡で観測したものが実に強力に裏付けられた。若い宇宙における惑星形成と初期進化のモデル化方法を再考する必要がある」と、オランダ・ノールトウェイクにある欧州宇宙研究技術センターの研究リーダー、グイド・デ・マルキ氏は述べた。
画像 A: NGC 346 の原始惑星系円盤 (NIRCam 画像)
画像の中央には、オレンジとピンクの弧が船のような形をしています。これらの弧の一方の端は画像の右上を指し、もう一方の端は左下を指しています。オレンジとピンクの別の煙が、画像の中央から左上に向かって広がっています。この煙の右側には、白い星の大きな集団があります。画像全体に、その他のさまざまな白い星と、さまざまなサイズのいくつかの銀河が広がっています。画像全体のさまざまなポイントに重ねられた 10 個の小さな黄色の円は、この研究で調査された 10 個の星の位置を示しています。
これはジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が撮影した、小マゼラン雲にある巨大な星団 NGC 346 の画像です。小マゼラン雲は矮小銀河で、天の川銀河に最も近い銀河の 1 つです。水素とヘリウムより重い元素が比較的少ない NGC 346 星団は、初期の遠方宇宙における同様の条件の恒星環境を研究するための近距離の代理星として機能します。画像に重ねられた 10 個の小さな黄色の円は、この研究で調査された 10 個の星の位置を示しています。
NASA、ESA、CSA、STScI、オリビア C. ジョーンズ (英国 ATC)、グイド デ マルキ (ESTEC)、マーガレット メイクスナー (USRA)
初期の異なる環境
初期の宇宙では、星は主に水素とヘリウムから形成され、炭素や鉄などのより重い元素はごくわずかしか含まれていなかったが、これらは後に超新星爆発によって誕生した。
「現在のモデルでは、重い元素がほとんどないため、恒星の周りの円盤の寿命は短く、実際、惑星が大きく成長できないと予測されています」と、ウェッブ研究の共同研究者で、ツーソンにある国立科学財団NOIRLabのジェミニ天文台の主任科学者であるエレナ・サビ氏は述べた。「しかし、ハッブルはそれらの惑星を観測したのです。モデルが正しくなく、円盤がもっと長く生きられるとしたらどうなるでしょうか？」
この考えを検証するため、科学者たちはウェッブ氏を小マゼラン雲に訓練させた。小マゼラン雲は天の川銀河に最も近い矮小銀河の 1 つである。特に、彼らは、比較的重い元素が少ない、巨大な星形成銀河団 NGC 346 を調べた。この銀河団は、初期の遠方宇宙における同様の条件を持つ恒星環境を研究するための近距離の代理として機能した。
2000年代半ばのハッブル宇宙望遠鏡によるNGC 346の観測では、2000万年から3000万歳の多くの恒星が、いまだに惑星形成円盤を周囲に抱えていることが明らかになった。これは、そのような円盤は200万年から3000万年後には消滅するという従来の考えに反する。
「ハッブルの発見は議論を呼んでおり、銀河の経験的証拠だけでなく、現在のモデルにも反しています」とデ・マルキ氏は言う。「興味深い発見でしたが、それらの星のスペクトルを取得する方法がなければ、私たちが目撃しているのは本物の集積と円盤の存在なのか、それとも単なる人工的な効果なのかを実際に確認することはできませんでした。」
現在、ウェッブの感度と解像度のおかげで、科学者たちは近隣の銀河系で形成中の太陽のような恒星とその周囲の環境のスペクトルを初めて得ることができました。
「これらの恒星は確かに円盤に囲まれており、2000万年から3000万年という比較的古い年齢にもかかわらず、まだ物質を飲み込んでいる途中であることがわかっています」とデ・マルキ氏は語った。「これはまた、これらの恒星の周囲では、私たちの銀河系の近くの星形成領域よりも、惑星が形成され成長する時間が長いことを意味します。」
画像 B: NGC 346 スペクトルにおける原始惑星系円盤 (NIRSpec)
NGC 346 の星、原始惑星系円盤の分子状水素、NIRSpec マイクロシャッター アレイ分光法と題された図は、2.02 ～ 2.37 ミクロンの光における星とその環境 (黄色でプロット) および星の環境のみ (ピンクでプロット) の明るさを、明るさと波長 (ミクロン単位) の xy グラフ上に表示しています。2.05 ～ 2.07 および 2.16 ～ 2.18 の 2 つの波長帯は赤で強調表示され、高温原子ヘリウム (He) とラベル付けされています。2.11 ～ 2.13 の青色の帯は、低温分子状水素 (H 2) とラベル付けされています。星とその環境 (黄色) のスペクトルは、2.06 および 2.17 ミクロン (He)、および 2.12 ミクロン (H) に顕著なピークがあります。星の環境のみのスペクトル (ピンク) にも 2.06 ミクロンと 2.17 ミクロン (He) にピークがありますが、2.12 ミクロン (H) にはピークがありません。 2 つのスペクトルは、読みやすくするために垂直方向にオフセットされています。 挿入図では、同じ垂直方向の配置でプロットされています。星と環境のスペクトルのヘリウムのピークは、環境のみのスペクトルのピークよりもわずかに高くなっています。
このグラフでは、左下の黄色で、この研究の対象となる 10 個の星のうちの 1 つのスペクトル (およびすぐ近くの背景環境からの光) を示しています。高温の原子状ヘリウム、低温の分子状水素、高温の原子状水素のスペクトル フィンガープリントが強調表示されています。左上のマゼンタは、背景環境からの光のみを含む、星からわずかにオフセットされたスペクトルです。この 2 番目のスペクトルには低温の分子状水素のスペクトル線がありません。
右側は、上と下の線の比較です。この比較では、低温の分子状水素に大きなピークが見られ、星雲環境からは見られません。また、原子状水素には、星からのより大きなピークが見られます。これは、星のすぐ周りに原始惑星系円盤があることを示しています。このデータは、ジェイムズ ウェッブ宇宙望遠鏡の NIRSpec (近赤外線分光計) 機器のマイクロシャッター アレイで取得されました。
イラスト: NASA、ESA、CSA、ジョセフ・オルムステッド (STScI)
新しい考え方
この発見は、円盤の周囲のガスに重い元素がほとんどない場合、恒星は円盤をすぐに吹き飛ばしてしまうというこれまでの理論的予測を否定するものである。したがって、円盤の寿命は非常に短く、100万年未満になることもある。しかし、円盤が恒星の周囲に留まる時間が十分でない場合、塵の粒子がくっついて小石が形成され、惑星の核となるので、惑星はどうやって形成されるのだろうか。
研究者らは、惑星形成円盤が重元素の少ない環境で存続するには、2つの異なるメカニズム、あるいはその組み合わせが存在する可能性があると説明した。
まず、円盤を吹き飛ばすために、恒星は放射圧をかけます。この圧力が効力を発揮するには、水素とヘリウムよりも重い元素がガス中に存在していなければなりません。しかし、巨大な星団 NGC 346 には、太陽の化学組成に含まれる重い元素の約 10% しか含まれていません。おそらく、この星団の恒星が円盤を分散させるには、単に時間がかかるだけでしょう。
2 つ目の可能性は、より重い元素がほとんど存在しないときに太陽のような星が形成されるには、より大きなガス雲から始まる必要があるということです。ガス雲が大きくなれば、より大きなディスクが生成されます。したがって、ディスク内の質量は大きくなり、放射圧が同じように作用したとしても、ディスクを吹き飛ばすのに長い時間がかかります。
「星の周囲に物質が多いほど、集積はより長い期間続きます」とサビ氏は言う。「円盤が消えるには10倍の時間がかかります。これは、惑星の形成方法や、さまざまな環境でどのようなシステムアーキテクチャを持つことができるかに影響を及ぼします。これは非常に興味深いことです。」
科学チームの論文は、12月16日発行の「アストロフィジカル・ジャーナル」に掲載されている。
画像 C: NGC 346: ハッブル・ウェッブ観測
ハッブルハッブル宇宙望遠鏡による巨大星団 NGC 346 の画像。ハッブル宇宙望遠鏡の画像では、黒い背景にさまざまな大きさの白い星が点在する青い色合いの星団が写っています。ドレープ状のシフォンのようなエーテル状の星雲が画像の大部分を占めています。ウェッブ巨大な星団 NGC 346 のウェッブ画像。ピンクとオレンジの色合いの黒い背景に映るウェッブ画像には、同じ星団のハッブル画像よりも点在する星の数が少ない。これらの星は白とピンク色である。ウェッブは星団の雲を突き抜けて、ねじれた繊維のような構造をさらに明らかにしている。
カーテントグル2アップ
前後
NGC 346: ハッブル・ウェッブ観測
画像の詳細
ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、世界最高の宇宙科学観測所です。ウェッブ望遠鏡は、太陽系の謎を解き明かし、他の星々の周りの遠くの世界を観察し、宇宙の神秘的な構造と起源、そして宇宙における私たちの位置を探っています。ウェッブ望遠鏡は、NASA がパートナーである ESA (欧州宇宙機関) と CSA (カナダ宇宙機関) と共同で主導する国際プログラムです。
ハッブル宇宙望遠鏡は 30 年以上にわたって運用されており、宇宙に関する基本的な理解を形作る画期的な発見を続けています。ハッブルは、NASA と ESA (欧州宇宙機関) の国際協力プロジェクトです。グリーンベルトにある NASA ゴダード宇宙飛行センターが望遠鏡とミッションの運用を管理しています。デンバーに拠点を置くロッキード マーティン スペースもゴダードでのミッション運用をサポートしています。天文学研究大学協会が運営するボルチモアの宇宙望遠鏡科学研究所は、NASA のためにハッブルの科学運用を行っています。
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画像の中央には、オレンジとピンクの弧が船のような形をしています。これらの弧の一方の端は画像の右上を指し、もう一方の端は左下を指しています。オレンジとピンクの別の煙が、画像の中央から左上に向かって広がっています。この煙の右側には、白い星の大きな集団があります。画像全体に、その他のさまざまな白い星と、さまざまなサイズのいくつかの銀河が広がっています。画像全体のさまざまなポイントに重ねられた 10 個の小さな黄色の円は、この研究で調査された 10 個の星の位置を示しています。
これは、天の川銀河に最も近い矮小銀河の 1 つである小マゼラン雲内の巨大な星団である NGC 346 のジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡による画像です。
クレジット: NASA、ESA、CSA、STScI、Olivia C. Jones (UK ATC)、Guido De Marchi (ESTEC)、Margaret Meixner (USRA)
NASAのジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、20年以上前に同局のハッブル宇宙望遠鏡で行われた物議を醸した発見を証明することで、難問を解決した。
2003年、ハッブル宇宙望遠鏡は、宇宙とほぼ同じくらい古い恒星の周りに巨大な惑星が存在する証拠を示した。そのような恒星は、惑星の構成要素となる重元素をほんのわずかしか持っていない。これは、宇宙が非常に若かったときに何らかの惑星形成が起こり、それらの惑星が原始的な円盤内で形成され、木星よりも大きくなる時間があったことを示唆している。しかし、それはどのようにして起こったのか？これは不可解だった。
この疑問に答えるために、研究者たちはウェッブ望遠鏡を使って、初期宇宙と同じく大量の重元素を欠く近傍銀河の星々を研究した。研究者たちは、そこにあるいくつかの星々が惑星形成円盤を持っているだけでなく、それらの円盤の寿命が天の川銀河の若い星々の周囲に見られる円盤よりも長いことを発見した。
「ウェッブの観測により、ハッブル宇宙望遠鏡で観測したものが実に強力に裏付けられた。若い宇宙における惑星形成と初期進化のモデル化方法を再考する必要がある」と、オランダ・ノールトウェイクにある欧州宇宙研究技術センターの研究リーダー、グイド・デ・マルキ氏は述べた。
画像 A: NGC 346 の原始惑星系円盤 (NIRCam 画像)
画像の中央には、オレンジとピンクの弧が船のような形をしています。これらの弧の一方の端は画像の右上を指し、もう一方の端は左下を指しています。オレンジとピンクの別の煙が、画像の中央から左上に向かって広がっています。この煙の右側には、白い星の大きな集団があります。画像全体に、その他のさまざまな白い星と、さまざまなサイズのいくつかの銀河が広がっています。画像全体のさまざまなポイントに重ねられた 10 個の小さな黄色の円は、この研究で調査された 10 個の星の位置を示しています。
これはジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が撮影した、小マゼラン雲にある巨大な星団 NGC 346 の画像です。小マゼラン雲は矮小銀河で、天の川銀河に最も近い銀河の 1 つです。水素とヘリウムより重い元素が比較的少ない NGC 346 星団は、初期の遠方宇宙における同様の条件の恒星環境を研究するための近距離の代理星として機能します。画像に重ねられた 10 個の小さな黄色の円は、この研究で調査された 10 個の星の位置を示しています。
NASA、ESA、CSA、STScI、オリビア C. ジョーンズ (英国 ATC)、グイド デ マルキ (ESTEC)、マーガレット メイクスナー (USRA)
初期の異なる環境
初期の宇宙では、星は主に水素とヘリウムから形成され、炭素や鉄などのより重い元素はごくわずかしか含まれていなかったが、これらは後に超新星爆発によって誕生した。
「現在のモデルでは、重い元素がほとんどないため、恒星の周りの円盤の寿命は短く、実際、惑星が大きく成長できないと予測されています」と、ウェッブ研究の共同研究者で、ツーソンにある国立科学財団NOIRLabのジェミニ天文台の主任科学者であるエレナ・サビ氏は述べた。「しかし、ハッブルはそれらの惑星を観測したのです。モデルが正しくなく、円盤がもっと長く生きられるとしたらどうなるでしょうか？」
この考えを検証するため、科学者たちはウェッブ氏を小マゼラン雲に訓練させた。小マゼラン雲は天の川銀河に最も近い矮小銀河の 1 つである。特に、彼らは、比較的重い元素が少ない、巨大な星形成銀河団 NGC 346 を調べた。この銀河団は、初期の遠方宇宙における同様の条件を持つ恒星環境を研究するための近距離の代理として機能した。
2000年代半ばのハッブル宇宙望遠鏡によるNGC 346の観測では、2000万年から3000万歳の多くの恒星が、いまだに惑星形成円盤を周囲に抱えていることが明らかになった。これは、そのような円盤は200万年から3000万年後には消滅するという従来の考えに反する。
「ハッブルの発見は議論を呼んでおり、銀河の経験的証拠だけでなく、現在のモデルにも反しています」とデ・マルキ氏は言う。「興味深い発見でしたが、それらの星のスペクトルを取得する方法がなければ、私たちが目撃しているのは本物の集積と円盤の存在なのか、それとも単なる人工的な効果なのかを実際に確認することはできませんでした。」
現在、ウェッブの感度と解像度のおかげで、科学者たちは近隣の銀河系で形成中の太陽のような恒星とその周囲の環境のスペクトルを初めて得ることができました。
「これらの恒星は確かに円盤に囲まれており、2000万年から3000万年という比較的古い年齢にもかかわらず、まだ物質を飲み込んでいる途中であることがわかっています」とデ・マルキ氏は語った。「これはまた、これらの恒星の周囲では、私たちの銀河系の近くの星形成領域よりも、惑星が形成され成長する時間が長いことを意味します。」
画像 B: NGC 346 スペクトルにおける原始惑星系円盤 (NIRSpec)
NGC 346 の星、原始惑星系円盤の分子状水素、NIRSpec マイクロシャッター アレイ分光法と題された図は、2.02 ～ 2.37 ミクロンの光における星とその環境 (黄色でプロット) および星の環境のみ (ピンクでプロット) の明るさを、明るさと波長 (ミクロン単位) の xy グラフ上に表示しています。2.05 ～ 2.07 および 2.16 ～ 2.18 の 2 つの波長帯は赤で強調表示され、高温原子ヘリウム (He) とラベル付けされています。2.11 ～ 2.13 の青色の帯は、低温分子状水素 (H 2) とラベル付けされています。星とその環境 (黄色) のスペクトルは、2.06 および 2.17 ミクロン (He)、および 2.12 ミクロン (H) に顕著なピークがあります。星の環境のみのスペクトル (ピンク) にも 2.06 ミクロンと 2.17 ミクロン (He) にピークがありますが、2.12 ミクロン (H) にはピークがありません。 2 つのスペクトルは、読みやすくするために垂直方向にオフセットされています。 挿入図では、同じ垂直方向の配置でプロットされています。星と環境のスペクトルのヘリウムのピークは、環境のみのスペクトルのピークよりもわずかに高くなっています。
このグラフでは、左下の黄色で、この研究の対象となる 10 個の星のうちの 1 つのスペクトル (およびすぐ近くの背景環境からの光) を示しています。高温の原子状ヘリウム、低温の分子状水素、高温の原子状水素のスペクトル フィンガープリントが強調表示されています。左上のマゼンタは、背景環境からの光のみを含む、星からわずかにオフセットされたスペクトルです。この 2 番目のスペクトルには低温の分子状水素のスペクトル線がありません。
右側は、上と下の線の比較です。この比較では、低温の分子状水素に大きなピークが見られ、星雲環境からは見られません。また、原子状水素には、星からのより大きなピークが見られます。これは、星のすぐ周りに原始惑星系円盤があることを示しています。このデータは、ジェイムズ ウェッブ宇宙望遠鏡の NIRSpec (近赤外線分光計) 機器のマイクロシャッター アレイで取得されました。
イラスト: NASA、ESA、CSA、ジョセフ・オルムステッド (STScI)
新しい考え方
この発見は、円盤の周囲のガスに重い元素がほとんどない場合、恒星は円盤をすぐに吹き飛ばしてしまうというこれまでの理論的予測を否定するものである。したがって、円盤の寿命は非常に短く、100万年未満になることもある。しかし、円盤が恒星の周囲に留まる時間が十分でない場合、塵の粒子がくっついて小石が形成され、惑星の核となるので、惑星はどうやって形成されるのだろうか。
研究者らは、惑星形成円盤が重元素の少ない環境で存続するには、2つの異なるメカニズム、あるいはその組み合わせが存在する可能性があると説明した。
まず、円盤を吹き飛ばすために、恒星は放射圧をかけます。この圧力が効力を発揮するには、水素とヘリウムよりも重い元素がガス中に存在していなければなりません。しかし、巨大な星団 NGC 346 には、太陽の化学組成に含まれる重い元素の約 10% しか含まれていません。おそらく、この星団の恒星が円盤を分散させるには、単に時間がかかるだけでしょう。
2 つ目の可能性は、より重い元素がほとんど存在しないときに太陽のような星が形成されるには、より大きなガス雲から始まる必要があるということです。ガス雲が大きくなれば、より大きなディスクが生成されます。したがって、ディスク内の質量は大きくなり、放射圧が同じように作用したとしても、ディスクを吹き飛ばすのに長い時間がかかります。
「星の周囲に物質が多いほど、集積はより長い期間続きます」とサビ氏は言う。「円盤が消えるには10倍の時間がかかります。これは、惑星の形成方法や、さまざまな環境でどのようなシステムアーキテクチャを持つことができるかに影響を及ぼします。これは非常に興味深いことです。」
科学チームの論文は、12月16日発行の「アストロフィジカル・ジャーナル」に掲載されている。
画像 C: NGC 346: ハッブル・ウェッブ観測
ハッブルハッブル宇宙望遠鏡による巨大星団 NGC 346 の画像。ハッブル宇宙望遠鏡の画像では、黒い背景にさまざまな大きさの白い星が点在する青い色合いの星団が写っています。ドレープ状のシフォンのようなエーテル状の星雲が画像の大部分を占めています。ウェッブ巨大な星団 NGC 346 のウェッブ画像。ピンクとオレンジの色合いの黒い背景に映るウェッブ画像には、同じ星団のハッブル画像よりも点在する星の数が少ない。これらの星は白とピンク色である。ウェッブは星団の雲を突き抜けて、ねじれた繊維のような構造をさらに明らかにしている。
カーテントグル2アップ
前後
NGC 346: ハッブル・ウェッブ観測
画像の詳細
ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、世界最高の宇宙科学観測所です。ウェッブ望遠鏡は、太陽系の謎を解き明かし、他の星々の周りの遠くの世界を観察し、宇宙の神秘的な構造と起源、そして宇宙における私たちの位置を探っています。ウェッブ望遠鏡は、NASA がパートナーである ESA (欧州宇宙機関) と CSA (カナダ宇宙機関) と共同で主導する国際プログラムです。
ハッブル宇宙望遠鏡は 30 年以上にわたって運用されており、宇宙に関する基本的な理解を形作る画期的な発見を続けています。ハッブルは、NASA と ESA (欧州宇宙機関) の国際協力プロジェクトです。グリーンベルトにある NASA ゴダード宇宙飛行センターが望遠鏡とミッションの運用を管理しています。デンバーに拠点を置くロッキード マーティン スペースもゴダードでのミッション運用をサポートしています。天文学研究大学協会が運営するボルチモアの宇宙望遠鏡科学研究所は、NASA のためにハッブルの科学運用を行っています。
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