本研究成果は、誕生時の大質量連星系のダイナミクスを明らかにした初めての例であり、今後、まだ謎の多い大質量連星系の誕生過程を調べる鍵となることが期待できます。

大質量星は太陽の8倍以上の質量を持つ恒星のことで、そのほとんどは連星系として存在しています。大質量星は、高密度なガス雲が重力的に収縮することで生まれると考えられていますが、その誕生過程は、分厚いガスの雲に覆われているため観測が困難だとされてきました。

今回、国際共同研究グループは、最先端のアルマ望遠鏡を駆使することで、今まさに形成中である二つの若い大質量原始星から構成される大質量連星系を発見しました。観測結果の詳しい解析から、二つの原始星の合計質量は太陽質量の18倍以上で、お互いを公転する周期は600年以下であることを明らかにしました。さらに、連星周囲のガス降着流構造から、先に生まれた主星に付随するガス円盤が分裂することで伴星が誕生した可能性が高いことを示しました。

本研究は、英国の科学雑誌『Nature Astronomy』のオンライン版（3月18日付け：日本時間3月19日）に掲載されました。

※国際共同研究グループ
理化学研究所 開拓研究本部 坂井星・惑星形成研究室
基礎科学特別研究員 イーチェン・チャン（Yichen Zhang）
チャルマーズ工科大学 宇宙地球環境学部
教授 ジョナサン・タン（Jonathan C. Tan）（バージニア大学 天文学部）
大阪大学 大学院理学研究科 宇宙地球科学専攻
特任研究員（常勤） 田中 圭（たなか けい）（国立天文台 アルマプロジェクト）
NASA エイムズ研究センター SOFIA-URSA
研究主幹 ジェイムズ・デビューザー（James M. De Buizer）
バージニア大学 天文学部
博士課程学生 メンヤオ・リウ（Mengyao Liu）
INAF アルチェトリ天文台
研究員 マリア・ベルトラン（Maria T. Beltrán）
アリゾナ大学 天文学部
助教 ケイトリン・クラッター（Kaitlin Kratter）（スチュワード天文台）
チリ大学 天文学部
教授 ディエゴ・マラドネス（Diego Maradones）
教授 ギド・ガライ （Guido Garay）

※研究支援
本研究は、National Science Foundation Grant「Astrophysical and Astrochemical Tests of Massive Star Formation Theories(ジョナサン・タン)」、European Research Council Advanced Grant「MSTAR(ジョナサン・タン)」、ALMA共同科学研究事業「ALMAのための観測的可視化フレームワークの構築(田中圭)」、the Chilean Fund for Sciences and Technology project Basal AFB-170002(ディエゴ・マラドネス、ギド・ガライ)による支援を受けて行われました。

太陽質量の8倍以上の質量を持つ恒星を大質量星と呼びます。大質量星は一生の終わりに大爆発を起こし、さまざまな重元素（水素、ヘリウムよりも重い元素）を宇宙空間にばらまきます。それらの一部は私たちの身体を構築する元素であることから、大質量星の誕生過程を理解することは重要だといえます。

ほぼ全ての大質量星は兄弟星を伴う連星系として存在することが、近年の研究から分かっています。大質量星は、高密度なガス雲が重力的に収縮することで誕生すると考えられていますが、そのガス雲収縮の中でどのようにして連星系が誕生するのかについては、これまでに二つのシナリオが提案されています。一つ目は、先に生まれた主星の周りのガス円盤が分裂することで伴星が誕生するというもの、もう一つは、高密度なガス雲が収縮する過程で二つの大質量星がそれぞれ独立に誕生するというものです。

しかし、どちらのシナリオが正しいのかはまだ明らかにはなっていません。この「大質量連星系」の誕生の謎を解く鍵は、形成段階にある大質量連星系の性質をつぶさに観測することにあります。しかし、星から放たれる波長の短い光は母体となるガス雲に隠されて直接観測することはできません。一方、波長の長い電波であれば、分厚いガス雲を通り抜けることができるため、原始星周囲のガスの情報を地球まで届けられますが、地球から遠く離れた大質量星誕生の現場を十分な空間解像度で観測することは容易ではありませんでした。

そこで、国際共同研究グループは、世界最高性能を誇る「アルマ望遠鏡（アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計）」を用いて、この謎を解くことを試みました。

国際共同研究グループは、地球から約5,500光年離れたIRAS07299-1651という大質量星形成領域から放射される波長1.3mmの電波を、アルマ望遠鏡を用いて観測しました。その結果、その領域の中心に二つの若い大質量原始星が約180天文単位（au） 離れて存在することを発見しました （図1） 。これは、これまでに見つかっている中で最も近接した大質量連星系です。また、それぞれの原始星の周囲のガスから水素再結合線 が観測されたことから、どちらの原始星も既に強力な紫外線を放出する程度まで質量を獲得していることが分かりました。

図1　アルマ望遠鏡が捉えた大質量連星系の姿
全体観測（左）から、連星系の母体となるガスと塵の雲の分布（緑）がわかる。分子ガス輝線を用いて速度構造（赤：地球から遠ざかる運動、青：地球に近づく運動）を解析し、10,000au程度の大規模なガス雲から中心にある100au程度の連星系へ質量降着が続いていることを示した。右側の四角内は、中心の四角の部分の拡大で、今回、形成段階にある二つの若い大質量原始星が発見された。水素再結合線を用いて、主星（青）が地球に近づく方向に、伴星（赤）が地球から遠ざかる方向に運動していることを明らかにし、その公転運動を調べた。赤破線および青破線は、それぞれの原始星の軌道の例を示す。

さらに、電離ガスから放出される水素再結合線により、二つの原始星の視線方向の速度差が約9.5km/秒であることを突き止めました。得られた原始星間の距離と速度差から、公転軌道が円形の場合には、二つの原始星の合計質量は太陽質量の18倍以上、楕円軌道を考慮しても太陽質量の9倍以上であると見積もられました。その他にも、伴星の質量は最大で主星の約8割、お互いを公転する周期は600年以下だということも分かりました。これらは、形成段階にある大質量連星系のダイナミクスを明らかにした初めての研究成果となります。

次に、深くガス雲に埋もれた原始星の質量を正確に測定することは非常に難しいため、他の異なる手法を用いて原始星質量の推定を行い、その信頼性を確かめました。大規模なガス雲から連星系へ流れ込む降着流の運動からは、降着ガスも含めた合計質量が太陽質量の約27倍であること、電離ガスの明るさからは、二つの原始星の質量がそれぞれ太陽質量の12倍と10倍程度と見積もられました。また、水素再結合線の運動情報からは、主星の質量が少なくとも太陽質量の4～8倍以上であることも分かりました。このように、いずれの手法からも、先に述べた連星系の公転運動と整合的な値が得られ、本成果の信頼性を高めることとなりました。

さらに、連星系の公転運動（約100au）だけではなく、それを取り囲む大規模な降着流（1,000～10,000au）と、それぞれの原始星を取り囲むガス円盤（約10au）を含む多重スケールにわたる大質量連星系の誕生の様子を明らかにしました （図2左） 。この3桁にもわたるスケール（10～10,000au）は、例えば、人間の体で全身から爪の厚さ程度までを詳細に調べたことに匹敵し、強力なアルマ望遠鏡だからこそ達成できた成果といえます。

二つの原始星の質量が同程度であることや、ほかに小質量星が同時に誕生していないことなどから、「この連星系は、先に生まれた主星に付随するガス円盤が分裂することで伴星が誕生した可能性が高い」と結論づけました （図2右） 。しかし、連星公転面と主星円盤面にズレが存在するため、単純な円盤分裂シナリオでは、この連星系の誕生を説明することは難しいことも指摘しています。

図2　発見された大質量連星系の現在と過去の概念図
[左]現在の大質量連星系の姿。大規模なガス降着流、それによって成長を続ける大質量連星系、それぞれの原始星に付属するガス円盤という多重スケールにわたる構造とそのダイナミクスを解明した。
[右]伴星誕生時の姿。現在の観測結果は、円盤分裂による伴星誕生のシナリオから予想される事柄[図中(1)-(4)]とよく一致する。

本研究では、大質量連星系の誕生時のダイナミクスを初めて明らかにしました。円盤分裂シナリオでは、公転軌道が円形に近い連星系が誕生すると示唆されているため、将来、観測によってその形状が分かれば、この連星系の起源を決定づけられる可能性があります。さらに、異なる波長での観測を行うことにより、中性ガスと電離ガスが正確に区別され、それぞれの原始星へのガス降着の様子をより詳しく調べることができます。

また、今回、深くガス雲に埋もれた大質量連星系の検出と精査のための新たな手法も示しました。大質量原始星の近傍では、ガス中の分子のほとんどが破壊（電離）されているために、低質量原始星の周りのガス円盤の運動を調べるのによく用いられる一酸化炭素分子などのスペクトル線を用いることができません。今回の観測ではこれを逆手にとり、原始星近傍で水素再結合線を観測・解析することで、原始星自身の公転運動を探る重要な手がかりを得ることに成功しました。今後、より多くの天体に同様の観測手法を適応すれば、その有効性が検証されると考えられます。

さらに、今回観測された多重スケールの構造（大規模なガス降着流、連星系、ガス円盤を伴う各原始星の性質など）が一般的なのか、それとも特殊なのかを明らかにするためにも、今後もより多くの高解像度観測が待たれます。

【タイトル】Dynamics of a massive binary at birth
【著者名】Yichen Zhang, Jonathan C. Tan, Kei E. I. Tanaka, James M. De Buizer, Mengyao Liu, Maria T. Beltrán, Kaitlin Kratter, Diego Mardones, Guido Garay
【雑誌】Nature Astronomy
【DOI】10.1038/s41550-019-0718-y