2013.4.23
Language English

【研究概要】

 權靜美さん(総合研究大学院大学・国立天文台)を中心とする研究チームは、「猫の手星雲」(NGC 6334) (注1)と呼ばれる星・惑星形成領域を赤外線で観測し(注2)、22%という高い円偏光を検出することに成功しました。これは、これまでに報告されたなかで最大の赤外線円偏光です。
 さらに研究チームは、世界で初めて系統的に星・惑星形成領域の円偏光を観測し、同様の円偏光を合計9つの星・惑星形成領域において検出しました。つまり円偏光は星・惑星形成領域で普遍的な現象と言えそうです。この円偏光のデータにより、従来の手法では難しかった原始星周辺の磁場構造の情報を得ることが出来るようになりました。
 「大きな円偏光は生命のアミノ酸のかたよりの原因であり、宇宙におけるアミノ酸のキラリティー(注3)を引き起す」という仮説があります。今回、研究チームにより世で初めて円偏光の普遍性が発見されたことは、この仮説をサポートするものと考えられます。
本研究は、IRSF/SIRPOL望遠鏡による赤外線3バンド同時偏光観測サーベイプロジェクト【プロジェクト代表者:田村元秀東京大学教授および国立天文台】の一環として行われ、本プロジェクトメンバーである総合研究大学院大学・国立天文台の權靜美(博士課程学生)を主体に、日英9名の共著者による論文が、米国の天体物理学専門誌「アストロフィジカルジャーナル・レター」の 2013年3月1日号に掲載されました。

(注1)「猫の手星雲」はさそり座にある星・惑星形成領域。地球からの距離は約5500光年。
(注2)観測装置は、南アフリカのサザーランド(標高 1761m)に設置された IRSF(InfraRed Survey Facility) 1.4m 望遠鏡に搭載された偏光観測装置 SIRPOL (サーポル)。7.8’x7.8’の視野は、近赤外線の観測装置としては広く、3色同時円偏光観測を行うことが出来る。
(注3)分子のキラリティーとは、結合の組み換えなしに分子をそれ自身の鏡像に重ね合わせることができないという性質のこと。このような分子は、左手と右手のように互いに鏡像である一対の立体異性体をもち、アミノ酸については、それぞれ左手型と右手型に分類されている。一般的な条件で合成されるアミノ酸は左手型と右手型がほぼ等量となるが、地球上の生命におけるアミノ酸は、左手型に偏って存在している。このような状態をホモキラリティーと呼ぶ。

【研究背景】

 私たちの住む地球にある生命はどのようにして生まれてきたのでしょうか? 星や惑星の形成現場の研究は、その手掛かりを与えてくれます。
 猫の手星雲は天の川銀河の銀河面内にあり、地球からの距離は約5500光年にあります。そして、天の川銀河の中で最も活発な星形成領域のひとつであり、過去約100万年の間に生まれた青い大質量星が多数含まれています。この星雲には数万個の若い星が存在しているとみられています。しかし、厚いガスとちりの雲(分子雲)に覆われているため、可視光では全ての星を見ることはできません。
 そこで研究チームは赤外線を用いた観測を行いました。赤外線では可視光では見えない厚い分子雲を見通すことができます。いわば、宇宙空間にある天体から出発した赤外線が地球上の観測者に届くまでにどういうことを経験したか、光が聞かせてくれる旅の話を得ることができるのです。
 さらに、偏光という宇宙からの特殊な光の性質(かたより)を調べることによって、天体からやってくる赤外線の強さだけでなく、赤外線のかたより(直線偏光と円偏光)を測定できます。偏光は天文学的に重要なツールであるだけでなく、最近、天文学と生命の起源との関係において着目されています(図1)。
 地球上の生命にとって重要なアミノ酸の左手型のかたよりの起源として、宇宙における円偏光が示唆されているからです。過去にオリオン星雲において広がった円偏光領域が観測されていましたが、その普遍性について調べた観測はこれまで有りませんでした。天空の広い領域の円偏光を高感度で観測する手段が無かったからです。
図1:生命をかたちづくるアミノ酸の謎のイメージ図。宇宙で形成されたアミノ酸が彗星や隕石によって地球にもたらされる仮説において、アミノ酸が左手型にかたよる理由は謎であった。
(クレジット:国立天文台)

【赤外線による光のかたよりの観測結果】

 総合研究大学院大学・国立天文台・日本学術振興会特別研究員の權靜美さんを中心とする研究チームは、このような星・惑星誕生と生命の起源の謎を解き明かすために、南アフリカのサザーランド(標高 1761m)に設置された IRSF(アイアールエスエフ)口径1.4m 望遠鏡と偏光観測装置 SIRPOL (サーポル)を用いて観測を行いました。望遠鏡と観測装置は名古屋大学・京都大学・国立天文台により運営されています。このSIRPOL装置は、私たちの研究グループで開発した、円偏光という特殊な光をとらえることができ、世界の他装置と比べてケタ違いに広い視野(天空上で一辺が約8分角の領域=月の直径の約4分の1)を持っています。IRSF/SIRPOLは、天空の広い領域からやってくる赤外線がどのように「かたよって」いるか(直線・円偏光)を調べる能力において、世界最高性能を持つ装置です。
 観測では、若くて重い星のまわりに広がる放射星雲の材料である塵粒子が、中心星からの赤外線を散乱した光をとらえました。
 図2の観測の結果、
(1) 中心星を取り囲む赤外線反射星雲、
(2) 砂時計状のアウトフロー、
(3) アウトフローをまたいで星周構造の外側に伸びる円偏光の四重極型パターン、
(4) 星形成領域で見つかっている円偏光のなかで一番大きい円偏光度(22%)、
(5) 同じく一番広がった(太陽系のサイズの約600倍)円偏光領域を発見しました。
 星雲を照らしている若い大質量星は2つの星雲のほぼ中心に位置していますが、ちょうど真横から眺める濃いガスと塵の円盤に隠されているため、この画像の近赤外波長では全く見えません。しかしより長い波長の赤外線では検出されています。私たちの偏光観測の別のかたより(直線偏光)の結果からも、このことが証明されました。
猫の手星雲に位置する大質量星形成領域において、円偏光という特殊な光が、従来のオリオン星雲の円偏光領域よりも大きく広がっていることを発見しました。また、オリオン星雲よりも大きい円偏光度が最もクリアーな四重極型パターンで発見されたという点で画期的な観測成果です。
図2:NGC6334領域の円偏光画像。
図の黒色部分が、我々観測者から見て、光(電磁波)の電場ベクトルが左回り(反時計回り)に回転している円偏光を表します。 白色部分が右回りの円偏光を表します。緑色はほぼ円偏光度がゼロであることを示します。円偏光度は、22%(左回り)から−11%(右回り)まで分布しています。星形成領域で見つかっている円偏光のなかでも一番大きいものです。観測に用いた波長帯は2.14μmです。
(クレジット:国立天文台)

 また、我々の偏光サーベイ観測の結果、オリオン座の複数の分子雲、おうし座・カメレオン座分子雲なども含め合計9つの星・惑星形成領域から広がった円偏光の検出に成功しました。過去に行われた星形成領域の円偏光観測では、2%を超えるような大きい円偏光が観測された天体は3例しかありません。研究チームが観測した9つの星・惑星形成領域では、その偏光度は大・中質量星形成領域では全て2%以上と大きく、質量の大きな星が生まれる領域ほど大きくかつ広がった円偏光がある傾向が、初めて系統的に明らかになりました。

観測結果のモデルとの比較

 さらに、観測だけでなく、3次元モンテカルロ・シミュレーションを行うことで、観測で検出されたような大きい円偏光度(22%)の形成メカニズム(図3)を明らかにしました。これは、中心星から人工的に光子を放出させ、その光と周囲の構造との相互作用を計算で追いかけたものです。従来、円偏光のメカニズムとして主に考えられたのは多重散乱、すなわち、光が2回以上塵と相互作用することで円偏光が生じるというアイデアでした。このメカニズムは、円偏光の四重極型パターンの説明には成功しましたが、1%以上の大きい円偏光度の再現は困難でした。
 本研究で用いた3次元モンテカルロ・シミュレーションでは、まず、(1)放射源の中心星から出発した光が、星周構造で散乱され、(2)生じた散乱光が、分子雲の磁場に揃った塵によって減光を受けて円偏光を生じる、ということで20%以上もの大きい円偏光度(図4)を円偏光の四重極型パターンと共に再現しました。
図3:偏光のメカニズムの模式図。塵粒子の長軸は磁場に対して垂直にスピンしているが、 必ずしもこの図の様に全てが同じ向きに揃ってはいないことに注意。
(クレジット:国立天文台)
アウトフローの想像図
 (クレジット:国立天文台)

図4:円偏光のラインプロファイル。実線が、モデル結果で、点線が観測データを表します。
(クレジット:国立天文台)

【大質量星形成領域の巨大な円偏光と太陽系の生命への示唆】

 地球生命は基本的に左手型( L 体)アミノ酸を好んで用いています。一方、糖は右手型です。これを生命のホモキラリティーと呼びます。どのようにして、L-アミノ酸が選択されたかということは、生命の起源研究の中でも大きな謎でした。
 このホモキラリティーが生しるには、まず、L- アミノ酸の D-アミノ酸に対する小さな偏り(過剰)が生じ、それが増幅されたという考え方か主流です。その偏りを生む物理的な作用としては、地球上説と地球外説に分類できます。地球外に起因するものとしては、中性子星などからの円偏光が注目されてきました。最近、オリオン星雲で発見された円偏光が有力な円偏光の起源と提案されています。これに基づくと次のような生命の起源へのシナリオを描くことができます。
「分子雲でアミノ酸(前駆体)などの有機物が生成し、円偏光との作用によりL-アミノ酸の過剰が生じます。これらは太陽系生成時に隕石母天体や彗星に取り込まれ、やがて地球に運び込まれます。原始海洋中で、この小さな過剰Soai(森隋鉾娠のような増幅作用 により増幅され、ほぼ L 体のみとなり、このようにしてできたホモキラルなアミノ酸(や糖)を用いて生命が誕生した」というものです。
 我々の観測結果からは、(1)猫の手星雲やオリオン星雲のような大質量星形成領域あるいは中質量星形成領域において太陽系が形成され、(2)大規模に広がった円偏光領域に原始太陽系が飲み込まれ、(3)もっぱら片方向の円偏光に照射を受けた結果、アミノ酸(先駆体)に鏡像異性体異常が引き起こされ、選択的に左型アミノ酸に偏り、(4)その後、地球上に隕石や彗星と共に持ち込まれた、というシナリオが描けることになります。ただし、地球外説には隕石の変性の問題などの議論があり、今後の観測・実験・理論の進展が望まれます。

【まとめと今後】

 本研究は、星形成領域の若い星に伴う星雲において22%という過去最高の円偏光の検出に成功し、その形成メカニズムを解明しました。これは、星や星の集団が誕生する過程で磁場や環境が与える効果を調べる新しいツールとなります。また、オリオン星雲よりも高い円偏光度と偏光空間広がりの検出と多数の他の領域での円偏光の検出は、地球上の生命のホモキラリティーの地球外原因として円偏光を考慮するのはオリオンだけではなく、普遍的な可能性があることを示しました。以上の研究は、広視野赤外線偏光撮像観測という独創的な手法を用いたことにより得られた新しい知見です。
 「宇宙生物学(アストロバイオロジー)」という新しい学問への期待が、太陽系外惑星観測や太陽系内惑星・衛星探査の進展に伴い、ますます高まっています。今後は、より多くの星・惑星形成領域の広域円偏光サーベイを継続するとともに、高解像度での円偏光観測を行います。
 また、本研究による星・惑星形成領域での偏光の知見は、現在進められているすばる望遠鏡の系外惑星と円盤の直接観測(SEEDSプロジェクト)にとっても重要な基礎になると期待されます。
 このような研究をより一層進めることにより、どのような環境で星団・星・惑星、ひいては、地球のような惑星が生まれるのかという謎が解かれていくでしょう。そして、私たちの住む太陽系のような惑星系で、どうやって選択的に左型アミノ酸に偏りができ増幅されたかという、地球上の生命の起源の物語を紐解く鍵となるかもしれません。

【研究論文出典】

【研究チーム】

權靜美(総合研究大学院大学、論文筆頭著者)、田村元秀(国立天文台/総合研究大学院大学、現東京大学大学院)、Phil W. Lucas(ハートフォードシャー大学)、橋本淳(国立天文台)、日下部展彦(国立天文台)、神鳥亮(国立天文台)、中島康(一橋大学)、永山貴宏(名古屋大学)、長田哲也(京都大学)、James H. Hough (ハートフォードシャー大学)

【研究助成情報】

本研究は、 学術研究助成基金助成金(24・110)と文部科学省科学研究費補助金 (19204018, 22000005) による助成を受けています。