惑星の誕生場所に生命に必要な有機分子の大量貯蔵庫を発見

天文・宇宙
若い星を取り巻く原始惑星系円盤内のガスと塵のイメージ図。挿入図は、MAPSの観測で対象となった分子ガスを示している。この分子ガスは、まだ形成途中の惑星の近くにある、単純な分子から複雑な分子までの「スープ」で構成されている。©M.Weiss/Center for Astrophysics/Harvard & Smithsonian.

若い星の周囲の物質から放出される光に含まれる独特の「指紋」を分析した結果、生命の基礎となる大きな有機分子の「重要な貯蔵庫」が明らかになりました。

今回の研究を主導したリーズ大学の研究員、John Ilee博士は、今回の発見は、地球上で生命を生み出した基本的な化学的条件が、銀河系内にもっと広く存在する可能性を示唆していると述べています。

この大きな有機分子は、生まれたばかりの星の周りにある原始惑星系円盤で確認されました。

同様の円盤がかつて若い太陽を取り囲み、現在の太陽系を構成する惑星を形成していたと考えられます。

この分子の存在は、宇宙空間に大量に存在する一酸化炭素などの単純な炭素系分子と、生命の誕生や維持に必要なより複雑な分子との間の「踏み台」であるという点で重要です。

本研究の詳細は、Astrophysical Journal Supplement Seriesに掲載されています。この論文は、惑星形成の化学に関する国際的な大規模調査を報告する20本の論文のうちの1本です。

Ilee博士のチームは、世界の16大学の宇宙物理学者で構成され、生命の形成に必要な前駆体分子の存在、位置、存在量の研究に焦点を当てました。

「これらの大きな複雑な有機分子は、宇宙のさまざまな環境に存在しています。実験室や理論的な研究では、これらの分子は、地球上の生物化学に不可欠な構成要素である分子を作るための『原材料』であり、適切な条件の下で糖やアミノ酸、さらにはリボ核酸(RNA)の構成要素を作り出すと考えられています。」  と彼は言います。

「しかし、このような複雑な有機分子が見つかる環境の多くは、惑星が形成されると考えられている場所や時期とはかなりかけ離れています。私たちは、惑星が誕生した場所である原始惑星系円盤のどこに、どのくらいの量の有機分子が存在しているのかをもっと知りたいと思いました。  」

宇宙の奥深くで化学を観察する

今回の研究は、アルマ望遠鏡が宇宙の最も冷たい領域にある分子からの非常に微弱な信号を検出できるようになったことで実現しました。

それぞれの分子は、はっきりと異なる波長の光を発し、固有のスペクトル「指紋」を作り出します。 この指紋によって、科学者は分子の存在を識別し、その特性を調べることができます。

リーズ大学物理学・天文学部のCatherine Walsh博士は、この研究を率いる5人の共同研究者の1人です。「Molecules with ALMA at Planet-forming Scales1アルマ望遠鏡による惑星形成スケールでの分子研究」(MAPS)プログラムと呼ばれるこの研究では、チリにある電波望遠鏡「アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計」(ALMA)で収集したデータを使用しています。

Walsh博士は次のように説明しています。「ALMAのパワーによって、近くの若い星の周りで活発に惑星を作っている物質の分布と組成を初めて測定することができました。 この望遠鏡は、生命の前駆体である大きな複雑な分子に対しても十分な力を発揮します。」

研究チームは、IM Lup、GM Aur、AS 209、HD 163296、MWC 480と呼ばれる5つの原始惑星系円盤で、シアノアセチレン(HC3N)、アセトニトリル(CH3CN)、シクロプロペニリデン(c-C3H2)という3つの分子を探していました。これらの原始惑星系円盤は、地球から300~500光年の距離にある。いずれの原始惑星系円盤にも、現在進行形で惑星が形成されている痕跡が見られます。

原始惑星系円盤が若い惑星を 養う

若い惑星の周りにある原始惑星系円盤は、その惑星が形成される際に物質を供給します。

例えば、若い地球は、太陽の周りの原始惑星系円盤の中で形成された小惑星や彗星の衝突によって物質がもたらされたと考えられています。しかし、すべての原始惑星系円盤に、生物学的に重要な分子を作ることができる複雑な有機分子の貯蔵庫があるかどうかは不明でした。

今回の研究は、その疑問に答え始めています。今回の研究では、観測された5つの円盤のうち、4つの円盤で有機分子が見つかりました。さらに、その分子の存在量は、科学者たちが予想していたよりも多かったのです。

Ilee博士は次のように述べています。「アルマ望遠鏡のおかげで、太陽系と同じような大きさの円盤の最も内側の領域で、これらの分子を初めて発見することができました。私たちの分析では、これらの分子は主にこれらの内側の領域に存在し、その存在量はモデルで予測されていたよりも10倍から100倍も多いことがわかりました。」

重要なのは、分子が存在していた円盤領域は、小惑星や彗星が形成される場所でもあるということです。Ilee博士によると、地球で生命が誕生したのと同じようなプロセスが、これらの円盤領域でも起こる可能性があるといいます。つまり、小惑星や彗星の衝突によって、大きな有機分子が新たに形成された惑星に移動するのです。

Walsh博士は、「この研究の重要な結果は、私たちの惑星に生命を誕生させるのに必要な成分と同じものが、他の星の周りにも存在することを示しています。惑星に生命を誕生させるのに必要な分子は、すべての惑星形成環境で容易に入手できる可能性があるのです。」

GM Aur、AS 209、HD 163296、MWC 480の4つの原始惑星系円盤。

GM Aur、AS 209、HD 163296、MWC 480の4つの原始惑星系円盤。上段は原始惑星系円盤に含まれる大きな(ミリメートルサイズの)ダストからの発光。 下段は、それぞれの円盤に含まれる大きな有機分子HC3N(赤)、CH3CN(緑)、c-C3H2(青)からの発光を3色で合成した画像である。 半径50天文単位の破線の円は、我々の太陽系における彗星形成領域の規模を示している。 ©Dr J.D.Ilee/University of Leeds

研究者たちが次に調べたいことのひとつは、原始惑星系円盤にさらに複雑な分子が存在するかどうかです。

Ilee博士は、「このような分子がこれほど大量に見つかっているのであれば、星間化学に関する現在の理解では、さらに複雑な分子も観測できるはずです。」と付け加えました。

「私たちは、アルマ望遠鏡を使って、これらの円盤の中にある化学的複雑さの次のステップストーンを探したいと思っています。 」

 

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