室内に人工宇宙と電波望遠鏡 「星の進化論」ミニ実験理化学研究所 主任研究員 坂井南美(4)

ナショナルジオグラフィック日本版

坂井南美さんが案内してくれた実験室。横たわった細長いシリンダーがガスセルで、その中はいわば「人工のミニ宇宙」だ
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。

◇  ◇  ◇

天文学者である坂井さんは、意外なことに、化学の基礎分野である分子分光学の実験室を持っており、日々、運用している。

天文学的な研究のために、化学物質が出すスペクトル線のデータベースをみずから作るのが目的だ。大きな目標のためにいったん膝を折って力をためるような地味な営みだとぼくには思える。

坂井さんに案内してもらって、その実験の現場を見せてもらった。

実際に行われていることは、やはりひたすら地味であることには違いないのだが、坂井さんの解説を聞いていると、ちょっとすごいことに気づいてしまった。

坂井さんは、実験室にALMAを持っている。

世界最大で最強の電波望遠鏡(干渉計)ALMAのミニ版がここにあって、実験室に再現された人工のミニ宇宙を日々観測している。つまり、これは実験室的な電波天文観測だ。

ぼくはそのことに気づいた時、大いに感じるものがあったので、今回はそこから話を始めよう。単に感激するだけではなく、電波による天体観測について理解を深めることもできたので、共有するに値すると思う。

坂井さんに導かれて入ったのは、居室を出てから廊下を歩き1分もかからない実験室だ。少し外からでも、真空引きのポンプがリズミカルな音を立てて響いており、何か特別なことが行われている雰囲気を漂わせていた。

部屋に入って、まず目につくのは、直径10センチメートル、長さ2メートルの透明なシリンダーだ。ガスセルと呼ばれており、これが、ぼくが言う「人工のミニ宇宙」である。

この中はほぼ真空に保たれ、ほんの少しだけ測定対象のガスが封入されている。ぼくが訪ねた時には、宇宙のあちこちにあって様々なスペクトル線を出すメタノール(メチルアルコール)の測定を行っていた。それもただのメタノールではなく、中の炭素が、通常よりも少し重い炭素13という同位体に変わっている特別なものだ。実際の宇宙にもごく微量そのような同位体分子があって、通常の分子とは少し違うスペクトル線を出す。ALMAの感度、解像度では、それらまで拾ってくるので、きちんと調べておかなければならない。

「メタノールの同位体分子だけでも、炭素が炭素13になったものや、水素が重水素になったものなどがあります。そこで、エンリッチドサンプルという、同位体を濃集させたサンプルが売られているので、それを使って実験室で測定しているんです。細かいところまで全部見て、最終的にこれがメタノールファミリーのスペクトル線ですと出せれば、観測データと直接比較ができて、雑草、ウィードからまとめて差っ引けるようになるかもしれません。あと、メタノールそのものの存在量を出したい時などにも使えて、誤差が少ない分、存在量も温度もきちんと出せるようになります」

左の試験管に、同位体を濃集させたサンプルが入っている

メタノール(CH3OH)は、炭素が1つで比較的簡単な飽和有機分子だからあちこちに存在しうる。CH3-のメチル基の部分は、とてもたくさんの種類のスペクトル線を出すことで有名だし、CにもHにもそれぞれ同位体が存在するのだから、おびただしいバリエーションが想定できる。それらをひとつひとつ見ていくというのは本当に地道なことだ。

「私たち、分子分光学者ではないですが、有利な点があって、幸いにして電波望遠鏡の受信機をつくる方はプロなんです。いわゆる分子分光装置ではなくて、望遠鏡の受信機を室内にそのまま置いて、ガスセルに欲しいガスを入れて、そのまま観測してしまえばいいんです。普段は、空を観測して、分光してデータを得ているわけですから、同じですよね」

これがその受信機

へぇっと思った。

坂井さんが指差した受信機は、実はALMAに使われているのと同タイプのものだという。つまり、この受信機がミニALMAだというのは、そういうことだ。

そして、ガスセルは人工ミニ宇宙(あるいは、人工の星間分子雲であったり、人工の原始惑星系円盤、であったりもするだろう)。

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