1万年前の遭遇が降着円盤に渦を巻き起こした！

星形成の過程で、新しく生まれた星の周りに降着円盤が形成されます。この降着円盤は「原始星円盤」とも呼ばれ、星形成プロセスにおける重要なステップです。生まれたばかりの星は、降着円盤を通じて周囲からガスを集め続け、徐々に成長していきます。そのため、降着円盤は星の誕生と成長のゆりかごであると言えます。天文学者は数十年にわたって太陽のような低質量の星の降着円盤を研究しており、豊富な観測的および理論的成果を得ています。しかし、より質量の大きい恒星、特に太陽の30倍以上の質量を持つ初期のO型恒星の形成時にも降着円盤が存在するかどうかはまだ不明です。これらのより質量の大きい初期の星は太陽よりもはるかに明るく、光度は最大で数十万倍にもなり、銀河全体の環境に劇的な影響を及ぼす可能性があります。したがって、これらの巨大な星の形成プロセスを理解することは非常に重要です。

最近、中国科学院上海天文台の呂星准研究員は、雲南大学、米国のハーバード・スミソニアン天体物理学センター、ドイツのマックス・プランク研究所と共同で、アタカマミリ波サブミリ波干渉計（ALMA）の高解像度観測データを使用し、天の川銀河の中心方向に巨大な新生星降着円盤があり、周囲の天体がこれを接近通過して渦巻き腕構造を形成していることを発見した。この新たな発見は、大質量星の形成過程が低質量星の形成過程と似ており、どちらも降着円盤やフライバイなどの過程を経ることを証明している。この研究結果は5月30日にネイチャー・アストロノミー誌に掲載された。

天の川銀河の中心近くにある超降着円盤

約 26,000 光年離れた天の川銀河の中心は、ユニークで重要な星形成領域です。超大質量ブラックホールであるSgr A*と、星形成の原材料である高密度の分子状水素ガスが太陽の数千万倍の質量で存在します。このガスが自身の重力によって崩壊すると、星が形成され始めます。しかし、天の川銀河の中心部は、強い乱流、強い磁場、いて座A*の潮汐力など、極めて特殊な環境にあり、これらの要因が星形成活動​​に大きな影響を与えます。したがって、天の川銀河の中心領域における星形成プロセスは、太陽系の周囲で私たちがよく知っている星形成プロセスとは異なる可能性があります。

しかし、天の川銀河の中心領域は地球から遠すぎるため、天の川銀河の中心と太陽系の間には複雑な前景ガスの遮蔽が存在します。これらの要因により、天文学者が天の川銀河の中心にある星形成領域を直接観測することは非常に困難になっています。したがって、天文学者は星の形成の詳細を観察し研究するために、極めて高い解像度と感度を備えた望遠鏡を選択する必要があります。

陸星氏が率いる研究チームは、南米チリにあるアルマ望遠鏡の干渉計アレイを使用して、約40ミリ秒角の解像度で天の川銀河の中心部の長基線観測を実施した。このような解像度での観測精度は、上海に立って北京のサッカーボールをはっきりと見ることができるようなものです。

研究者たちは、このような高解像度、高感度の観測の助けを借りて、太陽の32倍の質量を持つ初期のO型星の周りを回転している、天の川銀河の中心近くに直径約4,000天文単位の降着円盤を発見しました。これは、これまでに発見された降着円盤を持つ最も巨大な原始星の1つであり、天文学者が天の川銀河の中心にある原始星円盤を直接撮影した初めての例でもある。

この発見は、降着円盤が実際に初期の大質量O型星の形成に関与していることを示しており、この結論は天の川銀河の中心のような特殊な環境でも依然として当てはまります。

外部からの擾乱は降着円盤の進化に影響を与える

ユニークなのは、陸星などの科学者が見た降着円盤に、一対の明らかな渦巻き腕構造があることだ。この渦巻き腕構造は銀河の円盤では一般的ですが、原始星の円盤ではまれです。この渦巻き腕構造は、降着円盤自体の重力不安定性によって引き起こされ、それが降着円盤の断片化につながると一般に考えられています。この研究では、この大質量初期O型星の降着円盤内のガス温度と乱流が、降着円盤自体の安定性を維持するのに十分高いことが判明しました。そのため、研究者たちは、渦巻き腕は外部からの擾乱によって形成されたという別の説明も可能だと考えている。この降着円盤から数千天文単位離れたところに、太陽の3倍の質量を持つ天体があり、これが外部擾乱の原因である可能性があります。

この仮説を検証するために、研究者らはまず解析計算を用いてこの天体の過去の軌道を数十通り調べ、降着円盤を乱す可能性があるのは 1 つの軌道のみであることを発見した。その後、研究者らは上海天文台の高性能スーパーコンピュータープラットフォーム上で数値シミュレーションを使用してこの軌道を追跡し、1万年以上前にこの天体が降着円盤を通過し、降着円盤内の渦巻き腕構造をかき混ぜるプロセス全体を再現した。このタイプの数値シミュレーションには長い時間がかかり、完了するまでに約 1 週間かかることに注意してください。研究者らは解析計算を使用して事前に唯一の適切な軌道を見つけたため、さまざまな物理的条件を繰り返し試す必要がなかった。代わりに、彼らは1回の実行でターゲットに到達し、多くの時間を節約しました。結局、解析計算と数値シミュレーションの結果は観測結果と完全に一致しました。したがって、この降着円盤の渦巻き腕は、周囲の天体の訪問によって残された遺物である可能性が高い。

この発見は、星形成の初期段階では、降着円盤の進化がフライバイなどの動的プロセスによって頻繁に影響を受け、それが星や惑星の形成に大きな影響を与えることを完全に実証しています。したがって、降着円盤の進化を研究する場合、それらを孤立したシステムとして扱うことはできず、これらの動的効果を真剣に考慮する必要があります。

興味深いことに、約 7 万年前にシュルツ星と呼ばれる連星系が太陽系に接近し、オールトの雲を乱して一群の彗星を太陽系内に送り込んだ可能性があるという証拠があります。この研究の結果は、質量の大きい恒星、特に天の川銀河の中心部のような恒星密度の高い環境では、このようなフライバイが極めて頻繁に起こるはずであることを示しています。

「この大質量星の形成過程は、太陽のような低質量星の形成過程と多少似ています。どちらも降着円盤とフライバイが関係しています。質量は異なりますが、星形成過程におけるいくつかの物理的メカニズムは統一されています。これは、大質量星形成の謎を解く重要な手がかりとなります。」呂星氏は「この降着円盤に隠された詳細を見るために、解像度をさらに3倍に高め、望遠鏡を限界まで押し上げることを期待して、新しいALMA観測申請書を提出した」と語った。