「あるはずのないもの」凝視 星・惑星形成巡り大発見理化学研究所 主任研究員 坂井南美(2)

ナショナルジオグラフィック日本版

チリのアタカマ砂漠にあるアルマ望遠鏡(画像提供:坂井南美)
文筆家・川端裕人氏がナショナル ジオグラフィック日本版サイトで連載中の人気コラム「『研究室』に行ってみた。」。今回転載するのは理化学研究所の坂井南美さんに星や惑星のはじまりについて聞くシリーズです。壁と思ってぶつかったら幸運だった、そんな楽しいエピソードから、日本に理系の女性研究者が少ない要因の分析まで、地上の話題も豊富。U22世代への熱い思いも放射されます。

◇  ◇  ◇

理化学研究所「坂井星・惑星形成研究室」の坂井南美主任研究員は、今、ぼくたちの周りにある様々な分子がどのように「進化」してきたのか、その起源を追いかける天文学者だ。この分野では、特に、生命につながる有機分子の起源はひとつの大きな関心事で、それらがどこから来たのか熱い議論が交わされてきた。

坂井さんは、研究キャリアの最初の時点で、まさにその議論に一石を投じた。坂井さんが、「原始星」、いわば、赤ちゃん星の周りに見出した「不飽和な炭素鎖分子」は、本来、そこにあるはずがないとされていた種類の有機分子だったからだ。

「星間分子雲には存在する有機分子のひとつではあるんですが、その後、原始星ができる時点ではなくなっているはずだとされていました。不飽和なものって反応性が非常に高いので、星が生まれる前の密度の低い分子雲の中ならともかく、原始星が出来る場所のように密度が上がってくると、すぐ他の分子とぶつかって反応しちゃいます。壊れて当然なので、ないと思われていたわけです」

しかし、坂井さんらの観測で、それらが実際にあると分かった。また、原始星の周りでそれらが反応し、なくなってしまったとしても、新たにそこで生成する仕組みがありうることも提唱できた。

その観測事実や再生成の仮説に対して、当初、他の研究者たちは決して好意的ではなかったそうだ。

理化学研究所主任研究員の坂井南美さん。この分野をリードする世界的な研究者の1人だ

「たとえば、地球からは同じ方向に見えるけれど手前にある別のものを見ているだけだろうとかいろいろ言われました。そこで、ほかの電波望遠鏡でも観測して、見えているものの温度がちょうど炭素鎖分子ができやすい温度と一致するだとか、ドップラー効果を確認して原始星の周りを回転しながら原始星方向へ落ちているようだと示したり、ひとつひとつ証拠を重ねていきました」

こういった論証に加えて、他の原始星周りでも炭素鎖分子を見つけたという報告もあったことから、批判的だった研究者たちも次第に理解を示すようになる。坂井さんも、一連の研究をまとめて博士論文とし、学位を取得した。

ただ、批判のうち、これまでの観測ではどうしても回答できないものがあり、坂井さん自身、その点について大いに気になっていた。

「原始星の周りには、ガスやチリからできている円盤というのがあって、さらにその外側にエンベロープと呼ばれる降着ガス雲があります。私たちの観測はそのエンベロープも含めた全体の化学組成を観測しただけで、原始星の近くだけを見たら違うのではないかというものです。その可能性は否定できなくて。というのも、分解能の問題があったからです。それまでの観測では、カメラの画像の1ピクセルに、太陽系の大きさの10倍から数10倍ぐらいの大きさの範囲を写しているみたいなもので、原始星の円盤とその周囲のエンベロープの区別がつきません」

赤ちゃん星である原始星から惑星系ができるまでの過程。当初の観測では、本当に原始星の周りを見ているのか、それともエンベロープも含めた全体を見ているのかをまだ区別できなかった(画像提供:坂井南美)

坂井さんの最初の観測は、野辺山の45メートル電波望遠鏡で100時間を要したと紹介した。捉えたい宇宙からの電波が微弱すぎて、普通に観測するだけでは感度が足りなかったからだ。そこで、100時間分のデータを重ね合わせることで、ノイズに埋もれていたスペクトル線をくっきりと際立たせた。これは、カメラで暗がりを撮影する時に、長時間露光すると暗いところも見えてくるのとまったく同じ理屈だ。

一方、分解能は、いくら時間を使っても解決できない。望遠鏡の口径や観測する波長(周波数)にかかわるもので、同じ望遠鏡で同じ周波数帯を見る限り、分解能の上限は同じだ。

そこで登場するのが、チリのアタカマ砂漠に建設されてちょうど運用を開始するところだったALMA(アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計)だ。ALMAは複数の電波望遠鏡(アンテナ)からなるいわゆる干渉計というタイプのもので、アンテナのひとつひとつは12メートル(54台)や7メートル(12台)と比較的小さい。しかし、それらを離して配置して、受信した電波をひとつの巨大な望遠鏡のものとして扱うことで、実質的な口径を大きく取ることができる。

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