ウェッブ宇宙望遠鏡、IC 348で木星の約2倍の褐色矮星を発見

NASAのジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、ペルセウス座方向にある若い星形成領域IC 348で、質量が木星の約2倍まで下がると推定される褐色矮星を見つけました。恒星を回っていない「自由浮遊」の天体で、惑星と恒星になり損ねた星の境界があいまいになる質量域です。こうした小さな天体が星の誕生現場でどこまで作られ得るのかを検証する、重要な手がかりになります。1

遠方のかすかな天体をどう見つけたのか

IC 348は、地球から約1,000光年離れたペルセウス星形成領域にあります。ウェッブの近赤外線観測では、若い星や塵、星に包まれた天体が見える一方、非常に低温で暗い亜恒星天体も捉えられます。1

観測は主に2段階で進められました。

1. NIRCamによる撮像：近赤外線での明るさと色を測定し、若く低温の褐色矮星候補を選び出します。
2. NIRSpecによる分光観測：有力な候補の光を波長ごとに分け、大気の特徴を調べます。これにより、若い亜恒星天体らしさを確認し、質量などの物理的性質を推定します。

今回の成果は、同じ領域での先行研究をさらに押し広げるものです。初期のウェッブ観測では、木星の8倍未満の自由浮遊褐色矮星が3個見つかり、最も小さいものは木星の約3〜4倍と推定されました。より深い追跡観測によって、約2木星質量とみられる新たなメンバーが加わりました。3

「木星の約2倍」がなぜ重要なのか

褐色矮星は、通常の恒星を輝かせる水素核融合を持続できない天体です。より重い褐色矮星は一時的に重水素核融合を起こすことがありますが、長期にわたり水素を燃やす恒星にはなりません。

IC 348で見つかった最軽量級の天体は、質量だけを見れば巨大惑星に近い存在です。しかし、恒星の周りを公転しているのではなく、宇宙空間を単独で漂っています。この領域では、質量だけで「惑星」か「褐色矮星」かを決めることはできません。星間雲の収縮・分裂のような恒星に近い過程で生まれたと考えられるなら、惑星並みの質量でも褐色矮星、あるいは惑星質量天体と呼ばれます。

数木星質量という孤立天体を作ることは、従来の星形成モデルにとって容易ではありません。NASAは今回の低質量天体の発見を、星がどう形成されるかを説明するモデルへの挑戦と位置づけています。ただし、観測だけで形成経路が確定したわけではありません。1

質量は「直接測った値」ではない

「約2木星質量」は、天体を天秤に載せたように直接測定した数値ではありません。非常に若い褐色矮星では、観測された明るさやスペクトルを、天体が時間とともに冷えて暗くなる過程を表す進化モデルと照合して質量を推定します。そのため、推定値は年齢や初期進化についての仮定にも左右されます。

したがって重要なのは、IC 348に極めて低い質量域の亜恒星メンバーが確認、または強く支持される形で存在することです。これは褐色矮星と惑星を分ける厳密な一本線を示した結果ではありません。

惑星質量天体の周りにも円盤

新たに同定されたIC 348のメンバーのうち、質量が約2木星質量と約10木星質量の2天体では、周星円盤に関連する大きな赤外線超過が検出されました。円盤は、惑星や衛星の材料になり得る物質を含む構造です。

これは、天体そのものが惑星に近い質量でも、その周囲にさらに小さな世界を作り得る材料が存在する可能性を示します。一方で、これらの系で形成中の惑星が直接見えたわけではありません。赤外線超過が示すのは円盤物質であり、惑星の存在や形成を直接証明するものではありません。

ジェットと衝撃波が描く「星のゆりかご」

IC 348のモザイク画像は、褐色矮星の探査だけが見どころではありません。生まれたばかりの星から噴き出す強力なジェットが周囲のガスや塵に衝突し、環境を形作る様子も映し出しています。NASAは、この若い星のジェットを画像の顕著な特徴の一つとして紹介しています。

こうした衝突で生じる明るい衝撃波構造は、ハービッグ・ハロー天体と呼ばれます。画像にはHH 797やHH 211なども含まれ、誕生直後の原始星、姿を現しつつある若い星、流出、円盤、そして淡い自由浮遊亜恒星天体まで、星の誕生における複数の段階が同時に収められています。

最低質量域で見えた大気の謎

超低質量の褐色矮星の一部のスペクトルには、正体不明の脂肪族炭化水素に関連するとされる吸収が見られます。類似した3.4マイクロメートルの吸収は、星間物質や土星・タイタンの大気でも報告されています。714

研究者らは、この特異なスペクトルを示す天体に新しい分類を設ける可能性を提案しています。しかし、分子の正確な同定も、新分類の採用も、まだ決着していません。この特徴は、最小級の自由浮遊褐色矮星の化学組成や大気を理解するための手がかりであって、最終的な答えではありません。9

IC 348が示した新しい下限

ウェッブはIC 348における自由浮遊褐色矮星の観測上の下限を、従来の木星約3〜4倍から、約2倍へと押し下げました。星形成領域が、これまで主に惑星と結び付けられてきた質量域の天体まで生み出し得ることを示す成果です。同時に、円盤の存在や異例のスペクトルは、これらの天体がどのように生まれ、進化するのかという新たな問いも投げかけています。

次の課題は、さらに暗い天体を見つけることだけではありません。星間雲の直接崩壊、若い多体系からの力学的放出、円盤の分裂、あるいは複数の経路の組み合わせのうち、どの過程がこれらの天体を作ったのかを見極めることです。さらに、その円盤が最終的により小さな天体を組み立てられるのかも問われています。