完全重水素化メタノールを宇宙で初めて検出

このメタノールが「重い」理由

メタノール（CH₃OH）は、最も単純なアルコールです。炭素原子に水素原子が3個結びつき、その炭素原子が、4個目の水素原子をもつ酸素原子と結合しています。重水素は、原子核に陽子だけでなく中性子も1個もつ水素です。そのため質量はふつうの水素の2倍ですが、水素と同じ分子をつくります。同位体の違いだけで区別される分子どうしを、同位体置換体と呼びます。

メタノールの同位体置換体としては、重水素を1個、2個または3個含む、部分的に重水素化されたものが4種類知られていました（重水素が1個だけの場合、その位置は炭素側と酸素側の2通りがあります）。すべての水素が重水素に置き換わったものについては、これまでの研究では不確かな兆候しか見つかっていませんでした。今回、マックス・プランク電波天文学研究所のアルノー・ベロッシュ（Arnaud Belloche）氏が率いる研究チームが、CD₃ODを初めて確実に検出したと報告しました。CD₃ODは、重水素を4個含む分子として星間空間で初めて見つかったものでもあります。

研究者を驚かせたのは、その量です。天の川銀河には、水素原子10万個あたり約1.6個の重水素原子しかありません。重水素が分子のあいだにランダムに分布しているなら、すべての水素が重水素に置き換わった分子は、ふつうのメタノール分子1,000京（10¹⁹）個あたり1個にも満たないはずです。ところが研究チームがIRAS 4A2の周囲で測定したCD₃ODは、ふつうのメタノール1万個あたり約4個でした。

見えない分子をアルマ望遠鏡はどう見分けるのか

温度の高いガスの中では分子が回転していますが、その回転の速さはいくつかの決まった値しかとりません。分子は、より遅い回転に移るたびに、正確に決まった1つの周波数の電波を出します。重い原子が入ると分子の回転のしかたが変わるため、同位体置換体ごとに固有の周波数の組み合わせがあります。この組み合わせは分子の指紋のようなもので、まず実験室で測定しておく必要があります。CD₃ODについては、その測定結果が2023年に発表されました。

観測は、アルマ望遠鏡の大型観測プログラムCOMPASSで行われました。COMPASSでは、太陽に似た若い原始星、つまりまだ形成途中にある星11個を、279.0～311.7 GHzの周波数（波長約1 mm）で調べました。アルマ望遠鏡は、それぞれの原始星から約100天文単位（地球と太陽の距離の100倍）以内の細部を見分けることができます。これは惑星系ほどの大きさの領域です。IRAS 4A2の方向では、CD₃ODのスペクトル線10本が強く現れ、ほかの分子の線ともほとんど重なっていませんでした。そのため、この同定は確実だといえます。

COMPASSの別の研究では、11個の原始星のうち7個で、302.9 GHzのメタノールのスペクトル線が、レーザーで光が増幅されるのと同じように、ガスの中で増幅されていることがわかりました。この現象をメーザーと呼びます。7個のうち6個は「クラス0」と呼ばれる最も初期の段階にあります。残る1個では、近くにあるより質量の大きい原始星から噴き出すガスの流れが、メーザーを生み出しているとみられます。

こうした化学反応が惑星と彗星にとって重要な理由

メタノールは、ちりの粒子を覆う氷の中でつくられます。原始星が生まれる前の低温の段階で、凍った一酸化炭素に水素原子が1個ずつ結びついていきます。このような低温では、重水素は水素より重いために、一部の反応で重水素のほうが取り込まれやすくなります。そのため分子には、宇宙全体の存在比から予想されるよりはるかに多くの重水素が含まれるようになります。つまり、メタノールに含まれる重水素の割合には、氷がどのようにできたかが記録されているのです。若い星が周囲を温めると、氷は気体になります。IRAS 4A2の周囲ではこの気体の温度は約200 K（−73°C）で、気体になったメタノールはアルマ望遠鏡で測定できるようになります。

こうした化学反応のモデルは、観測結果を説明しきれていません。重水素を2個または3個含むものについて、モデルが予測する量は観測値の10分の1から100分の1しかなく、CD₃ODの検出でこの食い違いはさらに大きくなりました。著者らは、モデルに重要な要素が欠けているのではないかと考えています。

こうした化学反応と私たちの太陽系をつなぐ手がかりになるのが、彗星です。別の若い原始星IRAS 16293-2422をアルマ望遠鏡で観測した結果と、探査機ロゼッタが67P/チュリュモフ・ゲラシメンコ彗星で測定した結果を比べたところ、多くの分子の相対的な量に、ばらつきはあるものの相関が見られました。この結果は、彗星など太陽系の天体の材料に含まれる氷の一部が、いまのIRAS 4A2と同じ段階から受け継がれたものであることを示唆しています。

空のどこにあるか、何が見えるか

IRAS 4A2は、ペルセウス座にある若い星団NGC 1333の南側にあります。この星団は反射星雲、つまり近くの星の光に照らされたちりに包まれています。IRAS 4A2の位置は赤経3時29分、赤緯+31°14′で、距離は約950光年（290パーセク）です。11月中旬にはNGC 1333は太陽と正反対の方向にあり、真夜中ごろに最も高くなります。12月から2月にかけては、夕方の空で見やすい位置にあります。この星団は、南緯約59°より南ではまったく昇らず、南緯35°でも北の地平線から高度約24°までしか上がりません。

原始星そのものは、自らの材料であるガスとちりの中に埋もれているため、アマチュアの天体望遠鏡では見えません。この原始星のメタノールも、ミリ波のスペクトルでしかとらえられません。周囲の星雲を目で見たときの明るさについては、信頼できる値は発表されていないようです。