宇宙で最も重要な分子の 1 つは、何十年もその光を隠してきました。
これは、生命の成分を構成する複雑な有機分子の形成を含む、ほぼすべての気相星間化学の基礎です。
その名前は三水素カチオン (H3+)、そしてそれはしばしば「宇宙を作った分子」と呼ばれるほど重要です。
これは星間雲の中に潜んでいることが検出されており、木星のオーロラの輝きの一部を担っているが、1986年以来予測されていた木星の回転時に発せられる特定の種類の光は、実験室での観察の試みも含め、あらゆる探索を逃れてきた。
今回、ジョンズ・ホプキンス大学のデビッド・ニューフェルド率いる天文学者チームは、JWSTを使用して、数千光年離れたガスから輝く、とらえどころのない光をついに検出しました。
そして、この発見は、生まれたばかりの星によって生成される巨大な衝撃波の物理学を理解するのに役立つ可能性があるだけでなく、その炎と怒りの中でこの重要な分子に何が起こるかを理解するのにも役立ちます。
この発見がなぜそれほど信じられないのかを理解するには、三水素分子自体の特異な形状を調べる必要があります。
それは 3 つの水素原子核が集まって構成されており、それらの間で 2 つの電子だけを共有しています。それらが形成する形状は正三角形です。これは、分子が永久双極子モーメントを持たず、許容される純粋な回転スペクトルを持たないことを意味します。
これは、分子が回転しても、その電荷は均一に分布したままであり、分子が通常回転するときに放出する電磁放射を生成するために不均衡が変化することはないことを意味します。
それでも、1986年に、シカゴ大学の天体物理学者Fu-Shih PanとTakeshi Okuは、三水素は回転する際に非常に微弱な光を発することができるはずであると計算しました。
ここが抜け穴です。分子が回転すると、遠心力によってその完全に対称的な形状がわずかに歪みます。これにより小さな電気双極子モーメントが生じ、最終的には放射線の放出が可能になります。
結果として生じる遷移は非常に弱いため、「禁止」されていると考えられています。物理法則に違反しているからではなく、分子放射線を管理する通常の規則によって禁止されているためです。
40年間、その予測は裏付けられなかった。この信号は、実験室での実験でも検出できないほど微弱でした。
しかし、パンとオカの論文が予想していなかったのは、JWST と宇宙規模の激しい癇癪を起こす新生スターというキラーな組み合わせだった。
ハービッグ・ハロ天体は、銀河系で最も壮観な現象の 1 つであり、ベビースターの激しい爆発から生まれます。
星が形成されるとき、星はその周りに渦巻いている物質を食べます。しかし、その素材のすべてがスターになるわけではありません。強力な磁場は、その一部を密集したジェットとして宇宙に飛ばし、秒速数百キロメートルで移動させるのに役立ちます。
これらのジェットが周囲の分子雲に衝突すると、巨大な衝撃波が発生し、ガスが数千度に加熱され、光で燃え上がります。
これは星の寿命のうち非常に短いですが重要な段階であり、天文学者はさらに詳しく知りたいと考えています。ただし、星が生まれる厚い星雲の内部で展開することが多いため、見るのが非常に難しい場合があります。
このため、Herbig-Haro オブジェクトは JWST にとって特に興味深いターゲットになります。望遠鏡が調整されている赤外線は、可視光よりも効果的に不明瞭な塵を透過し、これらの乱流の星の苗床を覗き込むことができます。
しかし、Neufeld 氏と彼の同僚が、Herbig-Haro 168 (HH 168) という名前の天体に関する JWST の観測を調べ始めたとき、何か少し奇妙なことに気づきました。
高温の衝撃を受けたガスからの赤外線放射の中に、非常に弱い一連のスペクトル線が埋もれていました。
そして、それらの波長は、40年前にPanとOkaによって計算された三水素陽イオンの禁制回転遷移の波長と一致した。
それも一行だけではありません。チームは 26 の異なる線を特定し、すべて統計的に高い信頼性で検出されました。これらのラインの中で最も強いものは、驚異的な 72 シグマを記録し、検出については事実上疑いの余地がありませんでした。
天文学者らは初めて、宇宙のどこでも観測されたことのない光を発する分子を、それもほんの少量ではなく捉えた。彼らのモデルが後に予測したものと比較すると、それは明らかに白熱したものでした。
しかし、信号の存在は物語の一部にすぎません。同様に興味深いのは、このベビースターのジェット気流による衝撃を受けた乱流ガスの中でそれが出現した場所だった。
それは通常の分子状水素 (H₂) の放出を綿密に追跡し、両方の分子が同じ激しい条件に反応していることを示唆しました。
しかし、これらの条件がどのようにしてこのような明るい三水素放出を生成したのかを正確に説明するのは、少し難しいことが判明した。研究者らが衝撃波モデルを使用して観察を再現しようとしたところ、どちらのアプローチも完全には機能しませんでした。
あるモデルは、通常の分子状水素からの放出をうまく再現しましたが、三水素信号を 5 ～ 6 分の 1 に過小評価していました。
もう 1 つは、三水素放出との一致にはるかに近づきましたが、モデルが検証された範囲外の条件に依存していました。
したがって、発光がなぜ非常に明るかったのかを解明するには、さらに多くの研究を行う必要があります。しかし、何が起こっているかを示唆するパズルの最後のピースが 1 つあり、宇宙は比較的簡単にそれを行うことができます。
研究チームが別のハービッグ・ハロ天体である HH 211 のアーカイブ JWST 観測を調べたところ、そこでも同じ証拠となる放射が発見されました。
それは本当に素晴らしいことです。パンとオカはこれまでずっと正しかったが、欠けていたのはそれを確認するのに十分な感度のツールだった。
そして今、三水素そのものが、宇宙で最も単純な元素を宇宙の息を呑むような複雑さに変える化学を科学者がより深く理解するために使用できるツールになるかもしれません。
この研究は、 天体物理学ジャーナルレタープレプリント サーバー arXiv で入手できます。
この記事は Rebecca Dyer によって事実確認され、Rebecca Dyer によって編集されました。私たちは自分たちのプロセスに誇りを持っていますが、私たちはただの人間です。間違いを見つけた場合はお知らせください。
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