ウェッブとハッブル、海王星の彼方で極小天体27個を発見　太陽系誕生の痕跡か

海王星の外側を太陽の周りに回る小さな氷の天体、太陽系外縁天体（TNO）。これらは太陽系が生まれた約46億年前の名残と考えられている。ハッブル宇宙望遠鏡とジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡による共同観測は、その中でも特に小さく暗い天体について、「長い時間をかけて衝突で砕かれた破片が大量にあるはずだ」という従来の見方を揺さぶる結果を示した。112

観測チームが見つけたのは、予想より少ない小天体と、大型天体と同じ規則性を保つ表面色だった。この組み合わせは、微小なTNOが単なる衝突破片ではなく、太陽系初期に微惑星がつくられた過程の痕跡をなお残している可能性を示す。

0.05平方度で27個の新天体を検出

ウェッブの近赤外線カメラ「NIRCam」は、空のわずか約0.05平方度という範囲で、これまで知られていなかった暗いTNOを27個検出した。いずれも直径は約40km以下とされ、最小の1個は約10kmと見積もられている。ハッブルはそのうち13個を可視光で再観測し、可視光から近赤外線までをつないだ測定を可能にした。112

ウェッブの検出標本から得られた暗い側の光度関数の傾きは約0.29だった。光度関数は「どの明るさの天体がどれほど存在するか」を表す指標で、一般に暗い天体ほど小さい傾向がある。この値は、暗く小さな天体が増えること自体は示すものの、その増え方が大型天体から単純に予測されるほど急ではないことを意味する。つまり、いくつかの惑星形成・カイパーベルト進化モデルが見込んでいたより、小天体は少なかった。12

「衝突で砕けた破片が大量にある」はずだった

天体同士の衝突が長く活発に続く「衝突破砕カスケード」が起きていれば、大きな天体は砕かれ、小さな破片が多く生まれると考えられる。しかし今回、微小TNOの数の増え方は緩やかだった。

この結果だけで原因を一つに決めることはできない。ただし、小天体の大半を大きな天体の粉砕残骸とみなす最も単純な説明には、疑問が投げかけられる。12

考えられる可能性には、次のようなものがある。

• 衝突による侵食は、想定より弱かった、または活動した期間が短かった。
• 今回捉えられた最小級のTNOは、主として衝突破片ではない。
• 小天体の数の分布には、太陽系初期に固体粒子が微惑星へと集積した過程の痕跡が残っている。12

これは、カイパーベルトの姿を後年の衝突だけで説明するのではなく、初期の微惑星形成の条件まで含めて説明する必要があることを意味する。

軌道の異なる集団で、サイズ分布が似ていた

TNOは軌道の性質によって区分される。力学的に「コールド」な集団は、比較的安定した低傾斜・ほぼ円形の軌道を回る。一方、「ホット」な集団は、太陽系の後期の力学的進化に関係する、より傾いたり乱れたりした軌道を持つ。

両者は異なる形成環境や進化史を経験したと考えられてきた。それにもかかわらず、今回の調査では小天体のサイズ分布が両集団で似ていた。112

もし形成場所が大きく異なり、その後の衝突履歴も大きく異なっていたなら、これは自明な結果ではない。一つの解釈は、太陽系初期の原始惑星系円盤の異なる領域でも、微惑星形成はおおむね似た小天体のサイズ分布を生み出した、というものだ。112

小さくても表面の「色」が残っていた

ハッブルによる13天体の可視光再観測により、研究チームは可視光と近赤外線の色を比較できた。小さなTNOは、衝突や表面更新によって色が強く混ざったり系統的に変化したりするのではなく、それぞれが属する集団の大型天体に見られる色の関係に従っていた。113

これは、表面全体を更新するほどの衝突が予想より少なかった可能性、あるいは衝突が起きても色を決める物質を想定ほど効率的に消し去らない可能性と整合する。113

特に重要なのは、重力相互作用で軌道を大きく変えられた散乱天体についても、表面組成に関する情報が必ずしも失われていないことだ。安定軌道のTNOも、力学的にかき乱されたTNOも、太陽系初期にどこで生まれたのかを示す手掛かりを保持しているかもしれない。113

2人の博士課程研究者が率いた補完的な解析

連動する2本の研究を主導したのは、北アリゾナ大学のアナスタシア・N・モーガン氏と、ビクトリア大学のマリエル・R・エドゥアルド氏という2人の博士課程研究者だった。

モーガン氏はウェッブとハッブルの画像を組み合わせ、小さなTNOの可視光から近赤外線にかけての色と表面特性を調べる研究を主導した。エドゥアルド氏は、天体数と明るさの分布である光度関数を解析し、暗い小天体側での緩やかな傾きを測定する研究を率いた。1213

ウェッブは極めて暗い天体を近赤外線で探し出し、ハッブルは同じ天体の一部を可視光で測定した。両望遠鏡の役割が組み合わさることで、数の分布と表面の性質を同時に検証できた。112

まだ結論を急げない理由

今回の調査は記録的に深いものだが、太陽系外縁部の完全な国勢調査ではない。対象は約0.05平方度、ウェッブで27天体、可視光で回収できたのは13天体に限られる。112

また、検出・再観測の選択効果、短い観測期間から決める軌道の不確かさ、明るさを直径に換算する際の反射率の仮定も、結果を太陽系全体へどこまで一般化できるかに影響する。したがって、この調査だけで太陽系全体のサイズ分布を確定したり、微惑星形成の仕組みを一つに絞り込んだりすることはできない。約10〜40kmという規模も、TNO全体の一部分にすぎない。112

太陽系初期を記録した「物理的な化石」へ

かつては主に外挿でしか議論できなかった微小TNOが、いまや直接観測できる証拠になり始めている。天体の数、軌道、色を合わせて調べることで、原始惑星系円盤がどのように微惑星を生み出し、その後の衝突や惑星移動がそれらをどの程度変えたのかを制約できる。112

より広い範囲を対象にした共同観測で、緩やかな小天体分布と保存された色の関係が繰り返し確認されれば、海王星の彼方の小さな天体は、太陽系最初期を記録した非常に耐久性の高い「化石」として位置づけられることになる。112