用重氢探测的系外行星系和太阳系的组成——用艾玛望远镜对行星诞生现场的大规模观测——
用重氢探测的系外行星系和太阳系的组成——用艾玛望远镜对行星诞生现场的大规模观测——
艾玛望远镜观测到的，围绕五颗年轻星球的原始行星系圆盘中的两个。 上段为AS 209，下段为HD 163296。 即使是同一个原始行星系圆盘，也可以看到各个分子的分布不同。 ( Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO )，Cataldi et al./Aikawa et al.)原始大小( 185KB )
利用艾玛望远镜，大规模观测了围绕5颗年轻星球的原始行星系圆盘，成功用前所未有的高分辨率描绘出了行星形成现场的含重氢分子和离子化率的分布。 特别是，含有重氢的分子是探索地球上存在的水起源的关键物质。 普遍弄清重氢在行星产生的现场的分布，关系到了解太阳系天体和太阳系外行星的诞生过程。 太阳系的天体有各种各样的化学组成。 可以认为这是因为在包围原始太阳的气体和尘埃圆盘(原始行星系圆盘)中制作天体时，各个地方的化学组成和物理状态都不同。 也就是说，弄清原始行星系圆盘中的化学组成和物理状态是行星形成研究的基础。 以高分辨率捕捉原始行星系圆盘中包含的分子发出的电波为目标的艾玛望远镜的大规模观测计划“maps”( molecules with alma at planet-forming scales :艾玛望远镜行星形成尺度下的分子研究) 这次的目标是观测5颗年轻的星星(天狼座IM星、天蝎座GM星、AS 209、HD 163296、MWC 480 )周围的原始行星系圆盘，描绘出这些圆盘内大约20种分子的分布。 作为调查原始行星系圆盘中存在的多种分子是如何分布的观测，它将达到前所未有的高分辨率、高灵敏度。 在推进这个大规模观测计划的国际研究小组中，日本的研究者负责分析了主要含有重氢( d )的分子( DCN、N2D+ )和叫做HCO+的离子分子。 首先，我们明确了重氢在原始行星系圆盘中的存在比( DCN/HCN、N2D+/N2H+ )，在同一圆盘中也因位置而异，相差100倍左右，特别是越靠近中心星越小。 比较原始行星系圆盘求出的重氢存在比和太阳系天体重氢存在比，可以得到太阳系天体起源的相关信息。 重氢存在比小的天体，有可能在接近中心星的地方形成。 进一步明确了原始行星系圆盘中离子分子的分布。 根据HCO+分子的观测，圆盘中越靠近中心星的内侧，离子化率越低。 这可能是因为气体密度更高。 另一方面，离子化率高的话，容易受到磁场的影响，气体从圆盘流出，旋转的势头减弱，气体容易向中心星落下，对圆盘内的行星形成造成很大的影响。 由于N2D+的观测暗示了圆盘中心附近的电离率可能因天体而异，今后还将观测各种原始行星系圆盘，期待得到更多的信息。 通过将使用高灵敏度和分辨率的艾玛望远镜对原始行星系圆盘的观测结果与太阳系天体的见解和理论研究预测进行比较，可以期待从物质科学方面逼近我们所居住的太阳系形成过程的谜团。 本研究成果由Gianni Cataldi et al. “Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS) X: Studying deuteration at high angular resolution towards protoplanetary disks”、Yuri Aikawa et al. “Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS) XIII: HCO+ and disk ionization structure”等共20篇审阅论文，刊登在美国天体物理学专业杂志《天体物理学期刊膳食补充剂系列》的MAPS特辑上。
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用重氢探测的系外行星系和太阳系的组成~用艾玛望远镜对行星诞生现场的大规模观测
东京大学/国立天文台特聘研究员让·尼卡塔迪和东京大学研究生大和义英、相川佑理教授等国际研究小组以围绕5颗年轻星球的原始行星系圆盘为对象，执行了艾玛望远镜的大规模观测计划，在行星形成现场使含氘分子和离子化率的分布达到了前所未有的高分辨率 特别是含有重氢的分子是探索地球中水起源的关键物质，普遍明确行星在产生现场的分布，可以说是理解太阳系天体和太阳系外行星诞生过程中不可缺少的一步。
用艾玛望远镜拍摄的，年轻星球AS 209和HD 163296周围的原始行星系圆盘。 可见圆盘内的分布因分子而异。 Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Cataldi et al./Aikawa et al.
用艾玛望远镜观测到的，年轻星球HD 163296周围的原始行星系圆盘。 在该图像中，连淡的部分都强调表现了HCN的分布。 Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/D. Berry (NRAO), K. Öberg et al (MAPS)
太阳系的天体们有各种各样的化学组成。 认为这是因为在围绕原始太阳的气体和尘埃圆盘(原始行星系圆盘)中，各个天体形成的地方的化学组成和物理状态各不相同。 因此，弄清原始行星系圆盘中的化学组成和物理状态是行星形成研究的基础。 原始行星系圆盘含有各种各样的分子，每个分子都会发出特定波长的电波。 该电波大多具有数毫米左右的波长，可以用艾玛望远镜进行观测。 此次，以捕捉原始行星系圆盘中包含的分子发出的电波为高分辨率为目标，实施了阿尔玛望远镜的大规模观测计划“molecules with alma at planet-forming scales (阿尔玛望远镜在行星形成尺度上的分子研究: MAPS )” 该计划的目标是观测5颗年轻星星(天狼座IM星、天狼座GM星、AS 209、HD 163296、MWC 480 )周围的原始行星系圆盘，以约15天文单位[1]的分辨率描绘出约20种分子在圆盘内的分布。 MAPS的领队哈佛史密森天体物理学中心的卡林奥贝说:“通过使用阿尔玛望远镜，我们看到了分子在行星不断形成的现场是如何分布的。 特别是调查与地球上生命起源也相关联的氮有机化合物的分布，是这个项目非常令人兴奋的一点。” 虽然此前也进行了调查原始行星系圆盘内分子分布的研究，但此次是第一次以如此高的分辨率、高灵敏度明确各种分子的分布。 MAPS还阐明了HC3N、CH3CN、c-C3H2等复杂有机分子在原始行星系圆盘上的分布。 英国利兹大学的约翰·伊利说:“在原始行星系圆盘内侧的区域中，我们发现了比我们想象的多10倍到100倍的大型有机分子。 其科学特征与太阳系彗星相似。 大型有机分子作为连接宇宙中丰富的一氧化碳等简单的含碳分子和成为生命要素的更复杂分子之间的存在，是非常重要的。 ”。 MAPS的观测结果将总结为20篇论文，并作为美国天体物理学专业杂志“天体物理学期刊膳食补充剂系列”的MAPS特辑出版。
围绕年轻星球的原始行星系圆盘的想象图。 气体和尘埃在这个圆盘内聚集形成行星。 MAPS表明了该圆盘内各种分子的分布。 Credit: M.Weiss/Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian
在这个大规模观测计划中，以卡塔尔迪、大和、相川为中心的日本研究小组负责分析了主要含有重氢的分子( DCN、N2D+ )和HCO+这种离子分子。 氘( d )是氢的同位素，作为元素的存在量只有氢( h )的十万分之一。 但是在地球的海水中，含有重氢的水分子( HDO )存在着普通水( H2O )的1万分之一。 这样，重氢在分子内的存在比高于元素之比的现象被称为“重氢浓缩”。 在彗星等太阳系天体中，除水以外的分子中也发现了重氢浓缩。 分子在原始行星系圆盘上的氘比被认为不仅是地球海水的起源，也是探索太阳系物质科学起源的关键。 通过对MAPS数据的分析，研究小组首次成功定量测量了氘在原始行星系圆盘内的存在比( DCN/HCN，N2D+/N2H+ )的空间分布。 结果表明，重氢存在比在一个圆盘中因位置不同而相差100倍左右，特别是越靠近中心星，其存在比越小。 卡尔迪说:“关于重氢浓缩，据推测，在超低温领域有活跃的化学反应和在比较温暖的领域也有效的两种化学反应，但在这次的观测中发现，这两种反应都在圆盘内发挥着重要的作用。 ”。 比较原始行星系圆盘求出的重氢存在比和太阳系天体重氢存在比，可以得到太阳系天体起源的相关信息。 例如，1997年左右接近太阳，从地球上也观测到了明亮的海尔-波普彗星，也在测量HCN分子的重氢存在比。 其值小于在原始行星系圆盘上测量的值。 大和先生说:“这可能暗示了海尔·博普彗星是在原始太阳系圆盘的极内侧( 30天文单位以内)形成的可能性。 另一种可能性是，彗星中含有的HCN分子起源于原始太阳系圆盘形成之前阶段的气体云中含有的冰，也有可能不受原始太阳系圆盘中重氢浓缩的影响。 ”进行说明。 此外，还明确了原始行星系圆盘中离子分子的分布。 通过此次对HCO+分子的观测，原始行星系圆盘半径100天文单位外侧的离子化率可以很好地解释为，认为是中心星表面的磁活动产生的x光使圆盘上空的气体电离。 另一方面，半径100天文单位以内的离子化率较低。 这可能是因为越靠近原始行星系圆盘的内侧，气体的密度越高。 原始行星系圆盘的气体中离子分子多的话，受磁场的影响，气体会从圆盘流出，圆盘的旋转势头会减弱，气体容易向中心星落下，对圆盘内的行星形成也会产生很大的影响。 这次，通过N2D+的观测，还暗示了圆盘中心面附近的离子化率可能会因天体而异，今后还有待于更多圆盘的观测。 相川先生说:“受研究生时代在野边山宇宙电波观测所进行的原始行星系圆盘的观测结果的刺激，我开始了这项研究。 我认为通过我专门的理论研究预测，使用高灵敏度和分辨率的艾玛望远镜对原始行星系圆盘的观测结果，再比较彗星等太阳系物质的分析观测结果，来逼近我们居住的太阳系形成过程的谜团。 ”。
论文信息 本研究成果将作为Gianni Cataldi et al. “Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS) X: Studying deuteration at high angular resolution towards protoplanetary disks”、Yuri Aikawa et al. “Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS) XIII: HCO+ and disk ionization structure”等20篇审阅论文刊登在美国天体物理学专业杂志《天体物理学期刊膳食补充剂系列》的MAPS特辑上。
这项研究是在以下支援下进行的。
日本学術振興会科学研究補助金（No. 18H05222, 20H05844 , 20H05847, 18H05441, JP17K14244 and JP20K04017）、国立天文台ALMA共同科学研究事業（2019-13B、2018-10B）、東京大学国際卓越大学院教育程序（WINGS）、NASA Hubble Fellowship grant (HST-HF2-51401.001, HST-HF2-51419.001, HST-HF2-51427.001-A, HST-HF2-51429.001-A, HST-HF2-51405.001-A, HST-HF2-51460.001-A)、NASA Grant (No. 17-XRP17 2-0012)、NSF AAG Grant (#1907653,)、FONDECYT Iniciación 11180904 and ANID project Basal AFB-170002, NSF Graduate Research Fellowship under Grant No. DGE1745303、Natural Science Foundation of China grant No.11973090, David and Lucille Packard Foundation and Johnson & Johnson’s WiSTEM2D Program, Science and Technology Facilities Council of the United Kingdom (ST/T000287/1, ST/R000549/1, MR/T040726/1)、CNES fellowship grant、ANR of France under contracts ANR-16-CE31-0013, and ANR-15-IDEX-02), Simons Foundation (SCOL #321183), Wisconsin Alumni Research Foundation, Smithsonian Institution