国立天文台ニュースの3月号は、国際天文学連合シンポジウム358「天文学における共同参画、ダイバーシティ・インクルージョン」の報告記事や年度末号恒例の天文台メモワールなど、盛りだくさんでお送りします。

国立天文台ニュース2020年3月号

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国立天文台野辺山宇宙電波観測所の45メートル電波望遠鏡を用いた観測研究で、星が誕生する領域の詳細な電波地図が得られました。これは、世界最高の解像度で描いた広域の電波地図です。

宇宙空間は真空ではなく、平均で1立方センチメートルあたりに気体分子が1個程度という希薄なガスが存在しています。そしてそのガスの中のところどころには、濃い「星間ガス雲」が漂っています。太陽のような恒星は星間ガス雲から生まれますが、その誕生の過程は可視光線などでは見ることができません。しかし、電波の波長域では強い放射をするため、電波望遠鏡の格好の観測対象となります。

国立天文台をはじめ、東京大学、東京学芸大学、茨城大学、大妻女子大学、新潟大学、名古屋市立大学など多くの大学の研究者で構成される研究チームは、野辺山宇宙電波観測所45メートル電波望遠鏡による観測データから、オリオンA領域、わし座領域（Aquila Rift）、 M17領域という3つの星形成領域の星間ガス雲について、詳細な電波地図を作成しました。特にオリオンA領域については、米国を中心とする国際チームと連携して、米国のCARMA電波干渉計で取得した高解像度の観測データとの合成を試みました。その結果、今までにない精細なオリオンA領域の電波地図を作り上げることに成功しました。この地図では、約3200天文単位という太陽系の60倍のサイズに相当する細かい構造まで、ガス雲を分解できています。

アルマ望遠鏡は世界最高の解像度を誇りますが、視野が狭いために広い領域の観測には長い時間が必要です。そのような長い観測時間を確保するのは実際には無理なので、アルマ望遠鏡を使って今回のような規模での広域の電波地図を作ることはできません。今回作成した電波地図は、オリオンA領域の星間ガス雲を世界最高の解像度で描いた広域電波地図と言えるでしょう。

国立天文台は、45メートル電波望遠鏡で得た観測データを次世代の研究の土台として残すことを目的とした「レガシープロジェクト」を、2014年から2017年にかけて進めてきました。今回の成果はその一つで、太陽系近傍の星形成領域について詳細な電波地図作りを進める「星形成プロジェクト」によるものです。

この研究成果は、『日本天文学会欧文研究報告（Publication of the Astronomical Society of Japan）』の特集号「野辺山45m電波望遠鏡：レガシープロジェクトとFOREST受信機」に、2019年12月に掲載されました。
Nakamura et al. “Nobeyama 45 m mapping observations toward the nearby molecular clouds Orion A, Aquila Rift, and M17: Project overview”

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• 星形成プロジェクト：近傍の星形成領域の電波地図作り（野辺山宇宙電波観測所）

多数見つかっている土星の衛星の中でも、タイタンはひときわ大きな衛星です。土星とタイタンのように、ガス惑星が一つだけ大きな衛星を持つ衛星系はどのように作られるのか、これまでの研究では説明が難しいとされてきました。しかし今回、詳細なシミュレーション研究によって、このような衛星系の形成を可能にする「安全地帯」が惑星の周りに存在した可能性が導き出されました。土星とタイタンのような衛星系の成り立ちを説明するシナリオが、初めて提唱されたのです。

惑星の形成時には、惑星の周りを回転するガスや塵（ちり）などでできた円盤が形作られます。ガス惑星の周りを巡る衛星のいくつかも、この円盤の中で、同時に生まれると考えられています。しかし、仮にタイタンのような大きさにまで成長できたとしても、多くの衛星は円盤のガスから力を受けてだんだん惑星へと近づき、最終的には惑星に飲み込まれてしまうと考えられてきました。この問題を解決するためのさまざまな説が唱えられましたが、従来の理論では最終的に衛星が複数残ってしまいます。そもそも衛星が一つしか形成されなかったと仮定するほかには、衛星が一つだけの系の成り立ちを説明できませんでした。

衛星が円盤のガスから受ける力は、ガスの温度に大きく影響されるにもかかわらず、従来の研究では、円盤の温度や密度などは簡単化されていました。名古屋大学の藤井悠里特任助教と国立天文台の荻原正博特任助教による今回の研究では、円盤のガスや塵などによる熱の放射や吸収の影響を取り入れ、円盤の温度や密度の状態を詳細に計算しました。そして、実際の状態に近い円盤の中での衛星の運動を、重力多体シミュレーションによって詳しく解析しました。これらの計算には、国立天文台が運用する「計算サーバ」が用いられました。

解析の結果、円盤の中に、惑星へ近づく向きとは反対の向きに衛星が移動する「安全地帯」が存在する場合があることを発見しました。さらに詳細な計算の結果、この「安全地帯」の周辺は、衛星の軌道の内側と外側の温度差が塵の影響で特に大きくなる領域であることが分かりました。この急な温度差によって、内側のガスから受ける力と外側のガスから受ける力に差が生じるために、衛星が外側に押され、衛星が惑星へと近づくことなくとどまる領域ができていたのです。このような「安全地帯」に一時的に衛星が捕えられ、円盤のガスが散逸するまで生き残ると、衛星が一つだけの系の形成が可能であることが示されたのです。

この研究成果は、Y. I. Fujii and M. Ogihara “Formation of single-moon systems around gas giants” として、欧州の天文学専門誌『アストロノミー・アンド・アストロフィジクス』に2020年3月9日付けで掲載されました。

関連リンク

• 土星の衛星タイタンがひとりぼっちになった訳（天文シミュレーションプロジェクト）
• 土星の衛星タイタンがひとりぼっちになった訳（名古屋大学）