ウェッブ望遠鏡、カリーナ星雲「宝箱」の惑星形成円盤を観測　紫外線で消失の可能性

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）は2026年8月7日、カリーナ星雲の内部にある「Treasure Chest（宝箱）」と呼ばれる星形成領域の鮮明な赤外線画像を公開した。画像には約70個の若い星と、惑星形成の材料となる星周円盤が捉えられている。これらの円盤は周囲の強烈な紫外線によって、惑星が形成される前に失われる可能性がある。今回の観測は、過酷な放射環境において惑星系が形成され得るのかを探る手がかりとなる。

■ウェッブ宇宙望遠鏡が捉えた「宝箱」の内部

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は本日、2026年8月の「Picture of the Month」を公開し、地球から7,500光年（4,660兆マイル）離れたカリーナ星雲の内部に位置する、塵に覆われたコンパクトな彗星状グロビュール「Treasure Chest（宝箱）」の内部を、初めて鮮明な赤外線画像で明らかにした。ウェッブの近赤外線カメラ（NIRCam）が捉えたのは、壮観であると同時に、科学的に早急な解明が求められる光景だった。約70個の若い星からなる高密度の星団があり、その多くは惑星形成の材料となる星周円盤に個別に包まれ、銀河系でも特に強烈な紫外線環境の一つに置かれている。このグロビュールを特徴的な開いた宝箱の形に削り出したのと同じ放射が、今度は惑星が形成される前に、それらの円盤を消失させる可能性がある。

potm2607aとしてカタログ化され、NASA、ESA、カナダ宇宙庁（CSA）が共同で公開したこの画像は、テキサス州ヒューストンのライス大学に所属するMegan Reiter氏が率いる、JWST観測プログラム5408のサイクル3サーベイを代表する成果である。このプログラムでは、カリーナ星雲の中心部を対象にNIRCamで70.7時間観測し、若い星が周囲からどのようにガスを取り込み、ジェットやアウトフローとして放出するのかについて、初の包括的な調査を行う。ウェッブの8月の画像は、この調査から公開された最初期の成果の一つである。

■光学望遠鏡では見えないものを捉える4つの赤外線フィルター

「宝箱」という愛称は、ウェッブの画像に写った外観に由来する。高密度のガス雲は大きく蓋を開けた木製の箱のように見え、その内部は圧縮された星団が放つ赤外線で輝いている。しかし、その姿の背後には、特有の天体物理学的な問題がある。この雲を取り囲む塵の壁は、可視光の波長で約50等級もの減光を引き起こす。これは、宝箱に入射する可視光の光子10の20乗個につき、外へ出られるのは約1個にすぎないことを意味する。ハッブル宇宙望遠鏡を含め、光学望遠鏡では内部を見ることができない。ウェッブのNIRCamは、慎重に選ばれた4つの赤外線波長で撮影することにより、内部の観測を可能にしている。

今回の画像で使用された4つのフィルターは、1.62マイクロメートル（約0.000064インチ）の広帯域赤外線、1.64マイクロメートルのFe II輝線、4.44マイクロメートルの広帯域赤外線、4.7マイクロメートルの分子水素（H2）輝線である。Fe II輝線は、高速で移動する原始星ジェットやハービッグ・ハロー天体の衝撃波構造に含まれる電離鉄を追跡する。H2輝線は、形成中の星から噴き出すジェットが周囲のガスに衝突し、加熱している場所で光る。Fe IIとH2のフィルターは、星へのガス降着を調べるうえで重要な役割を担う。若い星は成長する際に周囲のガスを取り込み、すなわち降着させる一方、両極に沿って物質のジェットを外向きに放出する。Fe IIはジェットの中でも特に高速で高温の部分を示し、H2はジェットが減速し、周囲の雲に衝撃を与える場所を示す。両者を組み合わせることで、形成中の星が周囲の環境をどのように変化させているかを、異なる段階にわたって把握できる。

人間の目に見える最長波長の赤色光のおよそ3倍にあたる4.7マイクロメートルでは、宝箱を覆う塵の大部分が透過性を持つようになる。このためNIRCamは、本来なら不透明な壁の奥まで見通し、内部に埋もれた星団の構成星を直接撮影できる。Reiter氏のチームは2022年、近隣のNGC 3324領域「宇宙の断崖」の研究でこの能力を活用し、それまでの望遠鏡ではまったく見えなかった若い星からの原始星アウトフローを新たに24～31個特定した。プログラム5408は、この手法をカリーナ星雲の内部全体へ体系的に広げるものであり、Reiter氏のチームは約400本の新たなジェットが見つかると予想している。

■イータ・カリーナが形成した構造と内部への脅威

宝箱は、偶然この形になった雲ではない。大きく開いた蓋、暗い壁、輝く内部という特異な外観は、カリーナ星雲で最も明るい天体であるイータ・カリーナの影響によって直接形作られた。イータ・カリーナは、天球上では宝箱から北西方向へ39光年（230兆マイル）に相当する位置にある。イータ・カリーナ連星系は少なくとも2つの星で構成され、主星の質量は太陽のおよそ100倍、光度は太陽のおよそ500万倍に達する。この強烈な放射に加え、近隣の散開星団トランプラー16にも、非常に高温のO型大質量星が複数存在する。カリーナ星雲全体の電離紫外線光度は、北天で特によく知られた星のゆりかごであるオリオン大星雲のおよそ150倍に達する。

その紫外線の激流が数百万年をかけて宝箱の輪郭を形作った。内部の星団をかつて包んでいた低密度のガスを剥ぎ取り、星団自身の重力によってまとまった高密度のガス塊だけを残したのである。ESA/Webbの画像解説では、現在も続く科学的な議論が紹介されている。グロビュールの彗星状の形と、その内部にある星団のどちらが先にできたのかという問題だ。フィードバックモデルに基づく最も可能性の高いシナリオでは、まず星々がより大きな分子雲の内部で形成され、その後、イータ・カリーナと周辺の星々から届く紫外線が低密度のガスを侵食した。その結果、生き残った高密度のコアが、現在見られる彗星状グロビュールへと形作られたと考えられている。

同じ紫外線放射による作用は、今も続いている。紫外線が外側から宝箱を圧迫する一方、内部の星団で最も質量の大きい天体であるO9.5型星「CPD -59°2661」は、内側からガスを電離している。この星は太陽のおよそ19倍の質量を持ち、星団の中心部に膨張する空洞を作り出している。宝箱の若い星々を取り巻く物質は、外側と内側の両方から同時に侵食されているのだ。

■紫外線による消失と時間を争う惑星形成円盤

このせめぎ合いこそ、プログラム5408が解明しようとしている問題である。ウェッブの観測により、宝箱星団の若い星の多くが、惑星形成に至る可能性のある星周円盤構造に囲まれていることが確認された。星周円盤は、ガスと塵からなる回転円盤であり、そこから惑星が形成される。このような円盤の存在は、これほど若い星では予想されるものだ。星団の年齢は約130万年と推定されているが、色等級図上の前主系列等時線を用いた以前の推定では10万年未満とされ、既知の星団の中でも特に若い可能性が示されていた。どちらの推定年齢を採用しても、これらは豊富な円盤物質を持つ極めて若い星系である。

問題は、周囲の紫外線環境にある。強い紫外線にさらされた領域で円盤がどれほど存続できるかを調べた研究では、近傍の大質量星から放たれる遠紫外線（FUV）光子が原始惑星系円盤の表面を加熱し、円盤外縁部から物質を失わせる熱的な風を発生させることが示されている。この過程は「外部光蒸発」と呼ばれる。カリーナ星雲内部と同程度の紫外線環境では、円盤の寿命が100万年未満に短縮され得るとモデルは予測している。コア集積機構によって巨大惑星が形成されるには、少なくとも100万～300万年にわたって円盤が存在する必要があり、地球型惑星が完全に形成されるまでには数千万年を要する。宝箱の紫外線環境がモデルの予測どおり円盤の存続に過酷であるなら、この星団での惑星形成は、イータ・カリーナが制限する時間との競争になっている可能性がある。

宝箱の若い星々を今も包む高密度の塵からなる母体エンベロープは、現在のところ部分的な遮蔽の役割を果たしている可能性がある。星々がまだ雲の深部に埋もれている間は、円盤表面が紫外線に直接さらされるのを防いでいると考えられる。内部のO9.5 V型星からの恒星風と、イータ・カリーナから受ける外部圧力によってグロビュールの散逸が完了すれば、これらの円盤はカリーナ星雲の強い紫外線場に直接さらされることになる。プログラム5408による降着率の測定から、過酷な放射環境にもかかわらず、長期的に存続する惑星系を生み出せるほど惑星形成が限られた時間内に進んでいるのか、それともこの星団で生まれる星の多くが惑星に乏しいままとなるのかが明らかになる可能性がある。

■カリーナ星雲が研究対象として代えがたい理由

カリーナ星雲は、単に観測しやすい星形成領域というだけではない。地球から7,500光年（4,660兆マイル）の距離にあり、最小級の原始星からイータ・カリーナのようなO型大質量星まで、幅広い質量の星を一つの連続した観測領域内に持つ、最も近い大質量星形成領域である。オリオン大星雲はより近いものの、カリーナ星雲ほどの質量や極端な紫外線環境を持たない。大マゼラン雲にあるタランチュラ星雲はさらに強烈な紫外線環境を持つが、16万光年（99万4,000兆マイル）離れており、ウェッブでも個々の原始星円盤を分解して観測するには遠すぎる。カリーナ星雲は、高紫外線環境が円盤の存続と惑星形成に及ぼす影響を、モデル上だけでなく実際の観測によって測定できる、近距離かつ極端な環境を備えた比類のない研究対象なのである。

だからこそ、Megan Reiter氏のチームは、プログラム5408のために70.7時間のJWST専用観測時間を提案した。この観測計画は、カリーナ星雲とその内部の宝箱が、銀河の歴史を通じて星系が形成されてきた環境の相当部分を代表する可能性のある条件下で、星と惑星の形成を調べる窓になるとの考えに基づいている。私たちの太陽も、近傍に大質量星が存在する高密度の星団で形成された可能性が高い。その環境が、後に太陽系を生み出した円盤にどのような影響を与えたのかを理解することは、惑星科学における中心的な未解決問題である。宝箱は、観測可能な宇宙の中でも、その答えを探すのに特に適した場所の一つである。

■ウェッブがカリーナの南天領域に戻る

今回の画像によって、ウェッブは最初の科学画像公開時に観測した領域へ戻ってきた。2022年7月12日に公開された最初のウェッブ科学画像には、同じカリーナ星雲複合体のNGC 3324領域にある、ガスが山脈のように連なる「宇宙の断崖」が含まれていた。同じくNIRCamで撮影されたその画像は、それまで見えなかった数十本の原始星ジェットを明らかにし、ウェッブによる南天の星形成雲の体系的な観測の始まりを告げた。今回の宝箱の画像は、同じ星雲内の別の領域を拡大して捉えたもので、より細部に迫り、科学的な目的も絞り込まれている。広域を初めて見渡すパノラマ画像ではなく、降着とアウトフローの具体的な測定を中核に据えた観測計画の成果である。

8月のPicture of the Month（potm2607a）は、ESA/Webb画像ポータルから複数の解像度で無料ダウンロードできる。観測プログラム5408の技術的な詳細は、宇宙望遠鏡科学研究所（Space Telescope Science Institute）のアーカイブで公開されている。7月のPicture of the Monthでは、44億光年（270垓マイル）離れた銀河団MACS J0553.4-3342が取り上げられた。ウェッブが毎月公開する画像の対象が、天の川銀河にある星のゆりかごから、初期宇宙で進む大規模構造の形成まで、幅広い宇宙スケールに及んでいることを示す例である。

■注目ポイントQ&A

●宝箱とは何ですか？また、ウェッブの画像が過去のカリーナ星雲の画像と異なって見えるのはなぜですか？

宝箱は、正式には彗星状グロビュールG287.84-0.82としてカタログ化されている、カリーナ星雲内部のコンパクトで孤立したガスと塵の雲です。イータ・カリーナからの紫外線によって、蓋を開いた宝箱のような特徴的な形に作られました。2005年に、地上望遠鏡による可視光と近赤外線の画像を用いた研究で初めて詳しく調べられましたが、外側の境界を検出できた一方、塵に覆われた内部まで見通すことはできませんでした。ウェッブのNIRCamは、塵の透過性が高まる赤外線領域の4～5マイクロメートル（0.00016～0.0002インチ）付近で撮影するため、内部に埋もれた星々を初めて直接捉えられます。

●ウェッブのNIRCamは、可視光を遮る雲の内部で、ジェットの放出や星周円盤をどのように検出するのですか？

NIRCamは、形成中の星を取り巻くガスに含まれる分子やイオンが放つ、特定の輝線を対象とする狭帯域フィルターを使用します。1.64マイクロメートル（0.000065インチ）のFe IIフィルターは、原始星の両極から秒速数百マイルで外向きに移動する電離鉄など、ジェットの中でも特に高速で高温の物質を強調します。4.7マイクロメートル（0.00019インチ）の分子水素（H2）フィルターは、ジェットが減速して周囲のガスに衝突し、衝撃によって分子水素が発光する場所を捉えます。星周円盤は、内部の星から届く赤外線を吸収して再放射し、測光データに特徴的なパターンを生じさせるため検出できます。これらの測定を組み合わせることで、天文学者は、どの星が周囲のガスを取り込んで活発に成長しているのか、また、どの星がジェットを放出しているのかを特定できます。この2点は、Reiter氏のチームが2022年にNGC 3324を対象としたMNRAS掲載研究で実証した、プログラム5408の主要な観測項目です。

●紫外線が若い星の周囲の雲を侵食しているのに、イータ・カリーナの近くで惑星は形成されるのでしょうか？

これこそが、プログラム5408が解明しようとしている中核的な科学的疑問です。外部光蒸発の理論モデルによると、大質量星からの遠紫外線（FUV）放射は、極端に紫外線が強い環境では星周円盤の寿命を100万年未満に短縮する可能性があります。主要な巨大惑星形成モデルであるコア集積機構では、円盤ガスが100万～300万年にわたって存在する必要があるため、それでは時間が足りない可能性があります。宝箱星団の若い星々は現在、周囲を覆う塵の多いグロビュール自体によってある程度守られており、この物質が外から届く紫外線の一部を吸収しています。イータ・カリーナの恒星風と、星団内部のO9.5型星による電離の複合的な作用でグロビュールが完全に散逸すれば、円盤は紫外線に直接さらされることになります。それが惑星の形成に十分な時間が経過する前に起こるのか、それとも後に起こるのかを見極めることが、プログラム5408による降着とアウトフローの測定の目的です。

●彗星状グロビュールとは何ですか？また、なぜ宝箱は特徴的な開いた箱の形をしているのですか？

彗星状グロビュールは、コンパクトで高密度の頭部と、近くの大質量星や星団から遠ざかる方向へ伸びる、長く拡散した尾を特徴とする、小さく孤立した星間雲の一種です。頭部と尾はいずれも、近傍の星から届く放射の影響によって形作られます。宝箱の開いた蓋のような輪郭は、イータ・カリーナから数百万年にわたって届いた紫外線と恒星風が、内部の若い星団をかつて包んでいた低密度のガスを、北西側、すなわちイータ・カリーナに面した側から剥ぎ取った結果です。星団自身の重力によって十分に強く圧縮され、侵食に耐えた高密度のガスが、現在は宝箱の壁として見えています。星団の形成とグロビュールの成形は、同時に進んだ相互に絡み合う過程です。ウェッブのプログラム5408は、どちらが先に起きたのかを解明することも目的としています。

元記事: Webb Images Planet-Forming Disks Inside Carina Cluster Being Erased by Same UV That Shaped It