ガス惑星を生み出す原料は、いつまでも残っているわけではない。若い恒星の周囲には、惑星の材料となるガスと塵でできた回転する「原始惑星系円盤」が広がっている。しかし円盤は、恒星へ落ち込む物質や、恒星から吹き出すジェット・恒星風、放射線によって、少しずつ物質を失っていく。

アリゾナ大学のナマン・バジャージ氏が率いる研究チームは、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）の中間赤外線観測装置（MIRI）の архивデータを用い、太陽に似た若い恒星の周囲にある、傾いた主にClass II型の円盤72個を調べた。『The Astronomical Journal』に発表された研究は、円盤が進化するにつれて、ガスを失う仕組みそのものが変化することを示している。12

核心は「惑星の核」と「円盤の消失」の競争

岩石質の惑星核が巨大ガス惑星になるには、周囲の円盤に十分なガスが残っている間に、大量の水素とヘリウムを取り込まなければならない。先に円盤のガスが失われれば、その核は岩石惑星のままか、ガスの少ない小型惑星になる可能性が高い。

つまり巨大惑星の形成は、惑星核が大気を急速に成長させる速さと、ガスの供給源である円盤が散逸する速さとの競争だ。12

木星のような惑星を考えるうえでも、この点は重要になる。今回の調査だけで木星がいつ形成されたかを特定することはできないが、木星の核と巨大な大気は、太陽系がまだ大量のガスを保持していた若い時期に形成される必要があった、という基本条件を改めて裏付けている。12

72個の円盤から見えたガス流出

研究チームは、分子や原子が放つ赤外線を手がかりに、円盤から外へ運び出される物質を追跡した。分子状水素または電離ネオンの広がった放射は、72系のうち66系で検出された。内訳は次の通りだ。

• 円錐状の分子状水素風：46系。円盤物質がより広い範囲から流出する様子を示す。
• 高速の電離ネオン・ジェット：40系。より速く、細く集中した流れを示す。

電離ネオン・ジェットが確認されたすべての系で、より広い範囲に広がる風の兆候も見つかった。その多くでは分子状水素が、残りでは原子状酸素が広い流出を示していた。この組み合わせは、細く高速なジェットが、円盤のガスを取り除くより広範な過程と結び付いていることを示す。2

ただし、72個の円盤を一つの星系について誕生から成熟まで連続撮影したわけではない。各円盤は、若い星系の異なる進化段階にある。研究チームは、それらを比較することで、円盤の消失が時間とともにどう変わるのかを、静止画から動画を組み立てるように復元している。12

円盤のガスを奪う仕組みは年齢で変わる

観測結果は、惑星系が誕生してから最初の数百万年の間に、主に2つのガス散逸段階が順番に現れるという見方と整合する。1

初期段階：磁場が駆動するジェットと分子風

恒星への降着率が高い系ほど、ジェットや分子風を示す傾向があった。これは、初期には磁気流体力学的、つまり磁場によって駆動されるジェットと風が、円盤物質の除去を主導する段階があることと一致する。円盤がまだ活発に若い恒星へ物質を送り込んでいる一方で、その物質の一部は流出によって宇宙空間へ運び去られていく。12

成長中の惑星核にとって、ここは危険な時期だ。ガスはまだ豊富に残っているものの、その同じ環境がガスの供給源を急速に減らし始めている。

後期段階：弱まるジェットと放射線による散逸

恒星への降着が弱まると、ジェットも弱くなり、高温の分子風を示す特徴が先に薄れていく。残った流出は次第に原子状の成分が中心になる。研究チームはこの後期段階について、恒星の放射線、とりわけ光蒸発が薄くなった円盤のガスを散らす働きを強める段階だと解釈している。12

これは、ある仕組みが瞬間的に別の仕組みに置き換わるという意味ではない。恒星と円盤が進化するにつれて、それぞれの散逸メカニズムの相対的な重要度が変化する、ということだ。今回の遷移は、その変化がいつ起きるのかを絞り込む手がかりになる。ただし、現在の検出数だけでは、各風が実際にどれほどの質量を運び去ったのかという全体像までは分からない。12

なぜ巨大ガス惑星を持つ系と持たない系が生まれるのか

今回の結果は、似たように見える若い星系が、なぜ大きく異なる惑星構成へ進むのかを説明する物理的な枠組みを与える。

ある系では、惑星核が十分な質量へ早く成長し、ガスの急速な取り込みを始められるかもしれない。一方、別の系では、その段階に達する前に円盤のガスが大幅に失われる可能性がある。

結果を左右しうる要素には、円盤の質量、惑星核の成長速度、恒星への降着の履歴、磁気流出の強さ、恒星からの高エネルギー放射などがある。今回の研究は、風による円盤散逸がこうした違いを生む重要な要因であることを支持するが、巨大惑星が形成されるかどうかを決める唯一の要因だとしているわけではない。2

この視点に立つと、現在約46億歳の太陽系の姿も見方が変わる。太陽系の原始惑星系円盤はとうの昔に消え去っている。現在残る惑星の構成は、太陽が若かった短い時期に、惑星の成長、太陽へ落ち込む物質、そしてジェット・風・放射線によるガスの流出が競い合った結果だと考えられる。12

次に問われるのは「どれだけのガスを奪ったか」

どの進化段階でどのような流出が起きるのかを特定することは重要な第一歩だ。しかし、流出が存在することだけでは、それが惑星形成を左右するほどのガスを奪ったのかは分からない。

研究チームは今後、それぞれの風による質量損失率を測定し、風が円盤のどの半径から吹き出しているのかを明らかにする計画だ。12

これらの測定が進めば、赤外線で見える特徴を、より定量的な問いに結び付けられる。観測された流出は、木星のような巨大惑星が生まれる確率を変えるほど速く円盤ガスを取り除けるのか。答えが得られれば、今回示された進化の筋道が、惑星系の最終的な構成をどの程度決めるのかを検証できるようになる。

ガス惑星を生み出す原料は、いつまでも残っているわけではない。若い恒星の周囲には、惑星の材料となるガスと塵でできた回転する「原始惑星系円盤」が広がっている。しかし円盤は、恒星へ落ち込む物質や、恒星から吹き出すジェット・恒星風、放射線によって、少しずつ物質を失っていく。

アリゾナ大学のナマン・バジャージ氏が率いる研究チームは、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）の中間赤外線観測装置（MIRI）の архивデータを用い、太陽に似た若い恒星の周囲にある、傾いた主にClass II型の円盤72個を調べた。『The Astronomical Journal』に発表された研究は、円盤が進化するにつれて、ガスを失う仕組みそのものが変化することを示している。12

核心は「惑星の核」と「円盤の消失」の競争

岩石質の惑星核が巨大ガス惑星になるには、周囲の円盤に十分なガスが残っている間に、大量の水素とヘリウムを取り込まなければならない。先に円盤のガスが失われれば、その核は岩石惑星のままか、ガスの少ない小型惑星になる可能性が高い。

つまり巨大惑星の形成は、惑星核が大気を急速に成長させる速さと、ガスの供給源である円盤が散逸する速さとの競争だ。12

木星のような惑星を考えるうえでも、この点は重要になる。今回の調査だけで木星がいつ形成されたかを特定することはできないが、木星の核と巨大な大気は、太陽系がまだ大量のガスを保持していた若い時期に形成される必要があった、という基本条件を改めて裏付けている。12

72個の円盤から見えたガス流出

研究チームは、分子や原子が放つ赤外線を手がかりに、円盤から外へ運び出される物質を追跡した。分子状水素または電離ネオンの広がった放射は、72系のうち66系で検出された。内訳は次の通りだ。

• 円錐状の分子状水素風：46系。円盤物質がより広い範囲から流出する様子を示す。
• 高速の電離ネオン・ジェット：40系。より速く、細く集中した流れを示す。

電離ネオン・ジェットが確認されたすべての系で、より広い範囲に広がる風の兆候も見つかった。その多くでは分子状水素が、残りでは原子状酸素が広い流出を示していた。この組み合わせは、細く高速なジェットが、円盤のガスを取り除くより広範な過程と結び付いていることを示す。2

ただし、72個の円盤を一つの星系について誕生から成熟まで連続撮影したわけではない。各円盤は、若い星系の異なる進化段階にある。研究チームは、それらを比較することで、円盤の消失が時間とともにどう変わるのかを、静止画から動画を組み立てるように復元している。12

円盤のガスを奪う仕組みは年齢で変わる

観測結果は、惑星系が誕生してから最初の数百万年の間に、主に2つのガス散逸段階が順番に現れるという見方と整合する。1

初期段階：磁場が駆動するジェットと分子風

恒星への降着率が高い系ほど、ジェットや分子風を示す傾向があった。これは、初期には磁気流体力学的、つまり磁場によって駆動されるジェットと風が、円盤物質の除去を主導する段階があることと一致する。円盤がまだ活発に若い恒星へ物質を送り込んでいる一方で、その物質の一部は流出によって宇宙空間へ運び去られていく。12

成長中の惑星核にとって、ここは危険な時期だ。ガスはまだ豊富に残っているものの、その同じ環境がガスの供給源を急速に減らし始めている。

後期段階：弱まるジェットと放射線による散逸

恒星への降着が弱まると、ジェットも弱くなり、高温の分子風を示す特徴が先に薄れていく。残った流出は次第に原子状の成分が中心になる。研究チームはこの後期段階について、恒星の放射線、とりわけ光蒸発が薄くなった円盤のガスを散らす働きを強める段階だと解釈している。12

これは、ある仕組みが瞬間的に別の仕組みに置き換わるという意味ではない。恒星と円盤が進化するにつれて、それぞれの散逸メカニズムの相対的な重要度が変化する、ということだ。今回の遷移は、その変化がいつ起きるのかを絞り込む手がかりになる。ただし、現在の検出数だけでは、各風が実際にどれほどの質量を運び去ったのかという全体像までは分からない。12

なぜ巨大ガス惑星を持つ系と持たない系が生まれるのか

今回の結果は、似たように見える若い星系が、なぜ大きく異なる惑星構成へ進むのかを説明する物理的な枠組みを与える。

ある系では、惑星核が十分な質量へ早く成長し、ガスの急速な取り込みを始められるかもしれない。一方、別の系では、その段階に達する前に円盤のガスが大幅に失われる可能性がある。

結果を左右しうる要素には、円盤の質量、惑星核の成長速度、恒星への降着の履歴、磁気流出の強さ、恒星からの高エネルギー放射などがある。今回の研究は、風による円盤散逸がこうした違いを生む重要な要因であることを支持するが、巨大惑星が形成されるかどうかを決める唯一の要因だとしているわけではない。2

この視点に立つと、現在約46億歳の太陽系の姿も見方が変わる。太陽系の原始惑星系円盤はとうの昔に消え去っている。現在残る惑星の構成は、太陽が若かった短い時期に、惑星の成長、太陽へ落ち込む物質、そしてジェット・風・放射線によるガスの流出が競い合った結果だと考えられる。12

次に問われるのは「どれだけのガスを奪ったか」

どの進化段階でどのような流出が起きるのかを特定することは重要な第一歩だ。しかし、流出が存在することだけでは、それが惑星形成を左右するほどのガスを奪ったのかは分からない。

研究チームは今後、それぞれの風による質量損失率を測定し、風が円盤のどの半径から吹き出しているのかを明らかにする計画だ。12

これらの測定が進めば、赤外線で見える特徴を、より定量的な問いに結び付けられる。観測された流出は、木星のような巨大惑星が生まれる確率を変えるほど速く円盤ガスを取り除けるのか。答えが得られれば、今回示された進化の筋道が、惑星系の最終的な構成をどの程度決めるのかを検証できるようになる。