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2014年8月12日 アルマ望遠鏡で探る、彗星での有機分子合成

アルマ望遠鏡を使った観測により、彗星の周囲での分子合成についての新しい知見が得られました。彗星は、太陽系の中ではもっとも古く原始的な状態に近い天体と考えられています。彗星における化学を理解することは、太陽系そのものや生命の素になった有機物の起源を知ることに繋がります。

アメリカ・カトリック大学の宇宙化学研究者でアメリカ航空宇宙局(NASA)ゴダード宇宙飛行センターで研究を行うマーティン・コーディナー氏が率いる国際研究チームは、アルマ望遠鏡を用いてふたつの彗星を観測し、彗星を取り巻く薄いガス(コマ)の史上最高解像度のデータを取得しました。そして研究チームは、このデータをもとにコマの中でのさまざまな分子の「3次元」分布を明らかにしました。「彗星の性質を理解するには分子の分布の観測が大変重要ですが、今回アルマ望遠鏡による観測で初めてその観測が実現できました。」とコーディナー氏は語っています。この観測結果は、天文学専門誌「アストロフィジカル・ジャーナル・レターズ」に掲載されます。

今回アルマ望遠鏡による観測対象となったのは、レモン彗星(C/2012 F6)とアイソン彗星(C/2012 S1)です。レモン彗星は2012年3月に発見された彗星で、2013年初頭に明るくなりました。その様子はアルマ望遠鏡山麓施設からもよく見えていました(参考:アルマ通信「パンスターズ彗星とレモン彗星」)。またアイソン彗星は2012年9月に発見された彗星で、2013年11月28日は太陽に最接近し消滅したことで話題になりました。アルマ望遠鏡による観測は、アイソン彗星が2013年11月29日に、レモン彗星が2013年11月28日に行われました。このときの彗星と太陽との距離はアイソン彗星が0.5天文単位(1天文単位は太陽と地球の平均距離)、レモン彗星が1.5天文単位でした。

アルマ望遠鏡はこの2つの彗星に対して、彗星を理解する上で重要な3つの有機分子、すなわちシアン化水素(HCN)、シアン化水素の原子の結合順が組み変わった分子HNC、ホルムアルデヒド(CH2O)が放つ電波を観測しました。この観測から得られる「3次元」データは、空間方向2次元と周波数方向1次元のデータからなります。空間方向の高解像度2次元データからは、コマの中での分子の分布がわかります。周波数方向のデータには、それぞれの分子が放つ電波の周波数情報(スペクトル)が含まれており、ドップラー効果を測定することでそれぞれの分子が運動する速度がわかります。これらを合わせて考えることで、コマの中での分子の分布と運動を詳細に明らかにすることができるのです。

アルマ望遠鏡の観測により、シアン化水素は彗星の核からほぼ均等に全方向に噴き出していることがわかりました。一方でHNC分子はコマの中に均等に分布するのではなく、いくつかのかたまりになって存在することがわかりました。さらにアルマ望遠鏡の高い解像度により、このHNC分子のかたまりが日に日に、あるいは1日のあいだでもコマの内部で移動していく様子が捉えられました。これは、HNC分子がコマの中で形成されていることを示しています。さらにこのことは、有機物質が集まった塵が壊れることによってHNC分子が作られるという説を裏付ける新たな証拠となりました。

図1

図. アルマ望遠鏡で観測した、レモン彗星(左)とアイソン彗星(右)におけるシアン化水素の分布。
Credit: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); M. Cordiner, NASA, et al.

「彗星のコマに含まれる有機物質の塵を研究することは重要です。なぜなら、そうした塵は地球の大気に突入しても壊れにくいため、太古の昔の地球に降り積もって生命の起源になったかもしれないのです。」と、ゴダード・アストロバイオロジーセンターの所長で研究チームの一員であるマイケル・ムンマ氏は語っています。「今回の観測は、これまでほとんどわかっていなかった彗星の有機分子についての「新しい窓」を開けてくれるものです。」

「アルマ望遠鏡によってこれらの分子が彗星のコマに存在するということがわかっただけでなく、高い感度によってその分布まで描き出せました。」と共同研究者であるアンソニー・レミジャン氏(米国立電波天文台)は語っています。

レモン彗星から放出されたシアン化水素分子の分布の3Dモデル。実際のアルマ望遠鏡での観測で得られるのは、天球面上での分子の分布と各々の場所での周波数(ガスの運動速度)の情報です。この動画では天球面上での分子の分布を水平方向に、ガスの運動速度を垂直方向に描いています。
Credit: Visualization by Brian Kent (NRAO/AUI/NSF)

レモン彗星やアイソン彗星のような「中規模」の彗星ではHNCやホルムアルデヒドといった分子がさほどたくさん存在しせず、これまでの望遠鏡で詳しく調べることが難しかったのですが、アルマ望遠鏡ではこれらの分子を観測できたという点でも、今回の成果は特筆すべきものです。過去にこうした分子の観測が詳細に行われた例としては、ヘール・ボップ彗星のようにきわめて明るい彗星に限られていました。今回の成果は、これまでの研究を中程度の明るさの彗星にまで拡張したことになります。

「アルマ望遠鏡の高い感度によって、数百個・数千個にも及ぶ暗い彗星や遠くに位置する彗星の観測への道が開かれたのです。」と、研究チームの一員であるステファニー・ミラム氏(NASAゴダード宇宙飛行センター)は語っています。「現在はまだ彗星で検出されていない、より複雑な分子の観測も可能になることを、今回の観測は示しています。」

今回の研究成果は、 Cordiner et al. "Mapping the release of volatiles in the inner comae of comets C/2012 F6 (Lemmon) and C/2012 S1 (ISON) using the Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array"として、2014年8月12日発行の天文学専門誌「アストロフィジカル・ジャーナル・レターズ」に掲載されました。

下の図は、レモン彗星(左)とアイソン彗星(右)がアルマ望遠鏡で観測されたときの、彗星と太陽系の各天体の位置関係を模式的に示したものです。

アルマ望遠鏡で探る、彗星での有機分子合成

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