JWST は地球の水の宇宙起源を追跡しています

天文学者たちは、深海、極寒の氷河、そして空から湖、川、湿地に降り注ぐ雨など、地球がどのようにして水に恵まれるようになったのか、長い間疑問に思ってきました。 水は宇宙で 1 番目と 3 番目に多い元素で構成されており、一見単純に形成される分子です。 しかし、私たちの惑星のような岩石惑星へのその輸送の詳細は、生命の宇宙的蔓延を理解するために不可欠である可能性がありますが、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、生命の出現とその後の進化のための避難所を提供します。 地球の奥深くでは、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が確保されており、これも生命にとって極めて重要である可能性が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。 そのため、科学者たちは、水の惑星の浸透、つまり惑星が乾燥した岩石から地球と同じくらい浸した世界に変化するまでの経路をより深く理解したいと切望している。

より多くの洞察を得るために、天文学者たちはジェームス・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) を利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囲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そのような円盤内の水を垣間見たことがあるが、その視界はぼんやりとしていた。 たとえば、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) では水蒸気が見えますが、この施設では水の氷は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監視からブロックされます。 このアレイはまた、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。 一方、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—水門を開けた。 新しい宇宙天文台は、星を形成する巨大な分子雲から水がどのようにして原始惑星系円盤、そして最終的に惑星に到達するのかを前例のない観察で提供している。これは、私たちの水の世界が特別なのか、それともありふれたものなのかを含め、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しているテキサス州立大学の天文学者アンドレア バンザッティ氏は言います。

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、最初の星は、より重い元素を大量に生み出すために蓄えられた水素を通して激しく融合し、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物質からの高エネルギー放射線によって再び粉砕される可能性があります。ソース。 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、そこで再びその旅の混沌とした暴力的な章が始まることになる。 分子雲は、塵と凍ったガスの巨大な冷たい塊であり、豊富な水の氷を含み、星や惑星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、重力によってその密集したほぼ球形の領域が崩壊して、中心に誕生したばかりの輝く星を備えた、平らで渦巻く原始惑星系円盤が形成されます。 このプロセスの多くは塵によって隠されており、JWST まで調査することはほとんど不可能であることが判明しました。 ハーバード大学の天文学者カリン・オーバーグ氏は、「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、星や惑星の形成が始まる直前の氷の粒の特徴を明らかにすることができました。」と述べています。

そこから、成長する星は、その包み込む円盤から降り注ぐ物質を食べて、より多くの光と熱を生成し、潜在的に円盤の水分子を分解して、さもなければ世界に流れ込むであろう水分を焼き払う。 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、銀河が乾燥した惑星系で満たされ、私たちがここに存在しない可能性が高くなります。ほとんどの科学者が、そんなことはありえないと疑う理由は、これが少なからずあります。 どういうわけか、水は穏やかな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・トービン氏らはアルマ望遠鏡を使ってV883オリオン座を観測した。V883オリオン座は、地球から1,305光年離れたところにある円盤に覆われた原始星で、質量は太陽よりわずかに大きいだけだが、約200倍明るく輝いている。 。 原始星の放射は極寒の外円盤を加熱し、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、半重水の割合が高いことを確認した。この水では、より重い水素同位体である重水素が、水分子の 2 つの標準的なより軽い水素原子の 1 つを置き換えている。 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まで遡る必要があり、水が星形成過程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が観察した準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、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方法の 1 つを示唆しています。

天文学者らは現在、地球型惑星は3つの異なる方法で水を獲得できると考えている。 もしかしたら、水は最初からそこに存在し、惑星そのものの構成要素である塵の粒の中に閉じ込められているのかもしれません。 あるいは、成長する惑星が原始円盤内のガスから水蒸気を直接吸い上げ、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、惑星系の遠く離れた地域から落ちてくる残りの氷の破片を介して輸入された水をがぶ飲みするのかもしれません。 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、水を運ぶ彗星や隕石は単独では機能しないことを示唆している。 地球上の水は、彗星で見られるものよりも半重水と普通の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の氷の後背地から来たが、一部は代わりに太陽近くの高温にさらされたに違いない。 しかし、その暴露がどのようなものなのかは未解決の問題のままである。

答えを見つけるために、オーベル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正確に特定し、形成中の世界に栄養を与えるためにすぐに利用できる場所を確認します。 アルマ望遠鏡はすでにぼやけた画像をスケッチしており、JWST は見事な詳細でギャップを埋め始めています。 昨年4月、ドイツのガルヒングにあるマックス・プランク地球外物理学研究所の天文学者シエラ・グラント氏とその同僚たちは、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、井戸からでも新鮮な洞察を導き出せる宇宙天文台の驚くべき能力を実証した。 -システムを研究しました。 「私たちは JWST によってまさに新しい時代を迎えています」とグラント氏は言います。 「以前は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、PDS 70で水蒸気を検出した。PDS 70は、1つではなく2つの巨大惑星を擁することが知られている唯一の原始惑星系円盤である。 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正確な位置で合体していることを意味していると思われる。 「地球の中心領域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 ディスクだ」とペロッティは言う。 これまでの観測では水がまったく存在しないことが示されていたが、恒星に非常に近い強烈な放射線に水が耐えるのは難しいことを考えると、これは驚くべきことではない。 現在、天文学者たちは、それが後に惑星間の訪問者によって乾燥した惑星に到達するのとは対照的に、惑星が成長するにつれてその大気を照らす可能性があり、その可能性があることを知っています。 そのため、宇宙全体のほとんどの地上世界は、最初から豊富な水に恵まれ、豊かに生まれる可能性があります。

それ自体が問題になる可能性があり、それが次のような世界を引き起こす可能性があるとオーバーグ氏は言います。 あまりにも 水分が豊富。 科学者たちは現在、海洋世界では生命の誕生に苦労するだろうが、池に覆われた大陸を持つ惑星の方がずっと幸運に恵まれると考えている。 それは、プレバイオティクスの化学や複雑な化学系の台頭にとって重要であると考えられている反応の多くは、広大で希薄な海よりも小さくて濃縮された池の方がはるかに効率的に進行するためです。 さらに、大陸から浸食されたミネラルは、水に重要な栄養素を加えます。 しかし、宇宙がどれくらいの頻度で地球のようなテラクォーブを構築す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、とオーベルグ氏は主張する。それは、これらの円盤の周りの水の位置だけでなく、ある場所から水がどのように流れるのかも示す宇宙地図を完成させることによってである。次へ。

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流れ込むのかは不明でした。 そして昨年11月、バンザッティ氏、オーベルグ氏らは、温度の変化によって水が固体から液体または気体に変化する移行領域である雪線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、円盤の外周にある水の氷が、数ミリメートルから数メートルの大きさの塵粒やいわゆる氷の小石などのより頑丈な固体物質の上を内側に漂い、最終的に雪線で昇華すると仮定した。大きな水蒸気の霧。 それはバンザッティが観察した正確なサインです。 「これはまさに、この惑星形成の基本理論、つまり惑星の形成に影響を与えるはずのこの「小石漂流」シナリオで予想されていたものです。 [terrestrial planets] そして水の配達もするのです」とバンザッティ氏は言う。 「その小さな信号から、私たちは美しいストーリーを構築することができます。」 そして、これは PDS 70 にも影響を及ぼします。ペロッティ氏は、この機構が、システムの円盤の外側と内側の領域の間に隙間が形成される前に、水を内側に運んだのではないかと考えています。 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塵の上ではあるが、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。 この塵は、一部の水の分子とともに保護シールドとして機能し、多くの水の分子が分解するのを防ぎます。

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世界に流れ込む可能性があることを示唆している。 しかし、それでも、天文学者たちは、どちらかのシナリオが優位かどうかを知りません。 「研究の現段階では、私たちは独占的な立場にありません」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、後でそれを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、惑星系の特定の特性に応じて変化する可能性のある支配的な経路が解明されるはずです。

たとえば、グラント氏は、星の質量に応じて水のダイナミクスがどのように変化するかを知りたいと考えています。 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に見えます^⁠ 一方、小さくて太陽に似た星は比較的水浸しになっているように見えるが、グラント氏は最も小さな星の一部に何が典型的なのかを知りたいと考えている。 M 矮星と呼ばれるこれらの恒星は暗いため、生命が存在できる温度になるには、その周りを回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 やその他の望遠鏡を使って調査することが比較的容易になります。 彼らの原始惑星系円盤には水が少ないと長い間考えられていましたが、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、オーベルグらは、M型矮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、できるだけ多くの小さな星を探索することで、この疑問をさらに調査する予定です。 一方、バンザッティ氏が30の異なる星系から得た雪線の継続的な分析では、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っている。 水の宇宙の旅が、ついに焦点になりつつあります。

「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」とトービン氏は言います。 「今は驚くべき発見の時代ですが、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。」