古代の宇宙水の雲が地球の海を満たしていたかもしれない

水は、私たちが知る生命にとって不可欠な要素ですが、地球や他の惑星におけるその起源は長年の謎でした。地球上の水のほとんどは、若い太陽の周りを回る物質から凝集して、初期の地球に取り込まれたのでしょうか？それとも、彗星や小惑星の衝突によって後になって地表に運ばれたのでしょうか？そして、その水はもともとどこから来たのでしょうか？

3月7日にネイチャー誌に掲載された研究 この研究は、水の究極の起源に関する理論、すなわち、水は太陽や太陽系よりも古く、星々の間の広大なガスと塵の雲の中で時間をかけてゆっくりと形成されたという理論を裏付ける新たな証拠を提供している。

「これで、水の進化に明確なつながりがわかりました。実は、水は星が形成される前の冷たい星間物質からずっと直接受け継がれているようです」と、国立電波天文台で星形成を研究し、この論文の筆頭著者でもある天文学者のジョン・トービン氏は言う。水は、原始惑星系円盤から変化なく取り込まれた。原始惑星系円盤は、生まれたばかりの星の周りを周回する高密度の円形の塵とガスの層で、そこから惑星や彗星のような小さな宇宙物体が生まれる。トービン氏によると、水は「比較的変化せずに」彗星に引き込まれるという。

天文学者たちは、太陽系の水の起源についてさまざまな説を唱えている。トビン氏によると、高温星雲説では、誕生した恒星の周りの原始惑星系円盤の熱が水やその他の分子を分解し、冷却が始まると新たな分子が形成されるという。

トビン氏によると、この理論の問題点は、原始惑星系円盤で比較的暖かい温度で水が出現した時、それが彗星や小惑星で見つかる水とは似ていないということだ。それらの分子がどのようなものかはわかっている。小惑星や彗星などの宇宙の岩石はタイムカプセルとして機能し、太陽系初期の物質の状態を保存している。具体的には、円盤で生成される水には、通常の水素のように陽子が 1 つではなく、核に中性子 1 つと陽子 1 つを含む水素同位体である重水素が十分含まれていない。

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高温星雲説の代替説は、水は星間物質の広大な雲の中の塵粒子の表面で低温で形成されるというものです。この深い低温により水形成のダイナミクスが変化し、H ₂ O 分子の通常の水素原子の代わりにより多くの重水素が組み込まれ、小惑星や彗星に見られる水素と重水素の比率に近くなります。

「塵粒子の表面は、重水素を含む大量の水を効率的に生成できる唯一の場所です」とトビン氏は言う。「重水素とガスから水を生成する他の方法は、まったく機能しません。」

この説明は理論的には成り立つが、この新しい論文は、星間物質の水が原始惑星系円盤の形成中に高熱に耐えられるという証拠を科学者が発見した初めての論文である。

研究者らは、チリにある欧州南天天文台のアタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計の電波望遠鏡を使って、地球から約1,300光年離れたオリオン座の若い恒星V883オリオン座の周囲の原始惑星系円盤を観測した。

このような電波望遠鏡は、気相中の水分子の信号を検出することができます。しかし、若い星のすぐ近くにある原始惑星系円盤で見つかる高密度の塵は、水を氷に変えてしまうことが多く、望遠鏡では観測できない方法で粒子に付着します。

しかし、オリオン座V883星は典型的な若い星ではない。原始惑星系円盤からの物質が星に落ちているため、通常よりも明るく輝いている。この増加した強度により、通常よりも遠くにある塵粒子の氷が温められ、トビン氏と同僚は円盤内の重水素に富んだ水の信号を検出することができた。

「だからこそ、この特定の系を観察し、水の組成を直接確認できたのはユニークなことだった」とトビン氏は説明する。「そのレベルの重水素の痕跡が決定的な証拠となる」これは、地球の海と川が分子レベルで太陽そのものよりも古いことを示唆している。

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「もちろん、これが単なる偶然ではないことを確かめるために、もっと多くのシステムでこの実験を行いたい」とトビン氏は付け加える。例えば、惑星、彗星、小惑星が原始惑星系円盤で衝突し、その後の発達過程で水の化学組成が何らかの形で変化する可能性もある。

しかし、星形成を研究する天文学者として、トビン氏はすでにいくつかの候補を念頭に置いている。「オリオン座の星形成領域には、他にも有望な候補がいくつかあります」と同氏は言う。「あとは、周囲に円盤があるものを見つけるだけです」