[비즈한국] 雲。国語辞典では雲を次のように定義している。空気中を漂う水滴。しかし、天文学者にとって「雲」はもう少し広い意味で使われる。必ずしも地球の空に浮かんでいる必要はなく、水滴である必要もない。ただ広い空間に大小の粒子が広がっていれば、すべて雲と呼ぶ。水滴ほど小さい必要すらない。数百〜数千kmに達する巨大な小天体や氷の塊が浮かんでいても、天文学者には同じく「雲」なのだ。
代表的なものに、太陽系の外郭を取り囲んでいるとされる「オールトの雲」がある。オールトの雲は、まだ旅に出る前の彗星が集まっている、彗星の発生源であり故郷だと考えられている。ここでわざわざ「取り囲んでいる」ではなく「取り囲んでいるとされる」という慎重な表現を使った理由は、オールトの雲の実体がまだ観測を通じて立証されたことがないからだ。それでも、天文学者のほとんどはオールトの雲が存在すると信じている。
通常、Googleでオールトの雲を検索すると出てくるイメージは似通っている。白い点が太陽を中心に広く丸く広がった姿だ。まるでタンポポの綿毛のように見える。現在推定されるオールトの雲の規模は非常に巨大だ。太陽から1万AU（天文単位）から最大10万AUまで、大小の氷の破片が広がっていると推定される。この程度なら、ほぼ光年単位に匹敵する規模だ。はるか彼方に置かれた破片にまで、太陽の重力はその力を誇示している。このように破片が丸く集まり、オールトの雲を成していると推定されてきた。
ところが最近、私たちが想像してきたオールトの雲の姿が完全に間違っている可能性が提起された。興味深いことに、最近の分析によると、オールトの雲は単なる丸くて巨大なタンポポの綿毛のような姿ではない可能性がある。天文学者が新たに提示したオールトの雲の姿は、全く予想外の形状をしている。
実は、オールトの雲という名前はあまりに広く知られているが、根拠を重んじる一部の人々は「エピックの雲」と呼ぶこともある。エストニア出身のエルンスト・エピックは、1930年代にすでに、たまに太陽系内側に飛来する長周期彗星の起源が太陽系外郭にあると推測していた。彼は一種の「彗星の貯蔵庫」にあたる構造が太陽系の最外郭に広がっていると考えた。そして、太陽の重力が持続的に小天体の軌道に少しずつ摂動を起こし、その一部が時折本来の故郷を離れ、長く歪んだ楕円軌道を描いて飛来すると考えた。今日私たちが想像するオールトの雲の原型を、最も先に想像したことになる。
特に彗星の最もミステリアスな点の一つは、彗星があまりに頻繁に観測される反面、個々の彗星はあまりにも脆そうに見えるという点だ。ほとんどの彗星は、太陽に少しでも近づくとすぐに全体が昇華し、破壊された。多くの彗星、特に極端に歪んだ楕円軌道を描いて飛来する彗星の大半にとって、太陽との最初の遭遇がそのまま最後の遭遇であるように見えた。
このように飛来する彗星がいちいち破壊されるのであれば、休むことなく毎年さまざまな方向から飛来する彗星は、一体どこから来るのだろうか？オランダ出身の天文学者ヤン・オールトは、このミステリーを説明できる答えは一つしかないと考えた。太陽系最外郭の闇の向こうに、休むことなく彗星を送り出す巨大な彗星の貯蔵庫があるということだ。
その後オールトは、観測された彗星の軌道を綿密に分析し、太陽から最も遠ざかる遠日点の距離がほとんど同じ距離にあるという興味深い事実を発見した。当時のオールトの計算によると、長周期彗星の大半が太陽から約2万AU離れた場所に遠日点を持っていた。これは、彗星が単に（オウムアムアのように）太陽系の外から飛来する物体ではなく、太陽の周辺を非常に長く歪みながらも閉じた楕円軌道を描き、長い周期をかけて旅を繰り返す存在であることを意味した。オールトの推測に基づき、天文学者たちは太陽から同じような距離に離れたまま次の旅を待つ氷の破片でごった返す世界があると想像し、その氷の破片の雲に「オールトの雲」という名前を付けた。
しかし残念ながら、オールトの雲が本当に存在するのかは観測で立証されたことがない。一見すると矛盾しているように聞こえるかもしれない。あれほど巨大に広がった彗星や氷の破片の雲が私たちの太陽系を丸く取り囲んでいるなら、とっくに発見されているはずではないだろうか。そうではない。まず、予測されるオールトの雲の規模が非常に巨大だ。現在、天文学者は内側と外側にオールトの雲を区分するが、内側のオールトの雲である「ヒルズの雲」は太陽から1万AUの距離で始まる。一足先に太陽系脱出を夢見て旅立ったボイジャー探査機でさえ、まだオールトの雲の内側の境界に侵入すらできていない。少なくともあと300年は航海して初めて、オールトの雲の内側境界に到達する。
最も外側の外郭オールトの雲は、最大2〜3光年の距離まで広がっていると推定される。ボイジャーが現在の速度で航海を続けたとしても、今後7万年近い時間が過ぎてようやくオールトの雲を脱出できる。それほどオールトの雲は巨大なのだ。
さらに大きな問題は、オールトの雲がすべて明るく輝くわけではなく、冷たい氷の破片だけで満たされているという点だ。いくら太陽光をよく反射する氷の破片だとしても、距離が遠すぎて、破片の大きさも小さすぎる。そのため、現在の望遠鏡の性能ではオールトの雲を漂う破片の微かな光を直接観測するのは非常に難しい。
中には「そんなオールトの雲の破片が私たちを取り囲んでいるなら、その向こうのずっと遠い場所にある他の星や銀河を見るのがどうして可能なのか」と疑問を投げかける人もいる。それも誤解だ。オールトの雲は密度が非常に低い薄い雲だ。オールトの雲は約1兆個の彗星と氷の破片で満たされていると推定されるが、半径2〜3光年まで広く広がっている。実質的には、一辺が数十AUに達する巨大な箱の中に天体がたった一つしかないレベルで、密度が非常に低い。地球大気圏の分子密度は、1cm^3の体積の中に10^19個の分子が詰まっている。単純に同じ体積の中に粒子がいくつ詰まっているかという数密度で比較すれば、オールトの雲は地球の大気圏どころか、一般的な星間物質よりもはるかに密度が低い。そのため、より遠い宇宙を観測するのにそれほど妨げにはならない。
オールトの雲の巨大な規模は、この構造を非常に微妙な位置に置いている。明らかに太陽の重力で縛り付けられた破片たちだが、距離がかなり遠いため、太陽から受ける重力はそれほど強くない。もし周辺に似たような重力で引き寄せる別の天体が登場すれば、これらは太陽系を離れ、他の星に付着する可能性がある。実際に天文学者たちは、太陽系を遠くかすめ去った他の天体によってオールトの雲に巨大な摂動が起こり、その際、地球をはじめとする太陽系内側の惑星に彗星の大規模な絨毯爆撃が加えられたと推定している。さらには、恐竜絶滅の原因をオールトの雲の揺らぎに求める説もある。代表的なものに、約7万年前にオールトの雲のそばに近づき、一度オールトの雲をひっくり返したと推定される「ショルツの星」がある。
重力摂動は単純に近接する星の次元だけで起こるのではない。私たちの銀河系も非常に強力な重力を行使する。当然、その中に閉じ込められた太陽系やオールトの雲も、周辺の数多くの星で満たされた銀河系自体の重力の影響を受ける。特に太陽系自体が巨大な銀河系の中に閉じ込められているため、四方からオールトの雲を引っ張るような一種の潮汐力を受けることになる。その中で、太陽系はオールトの雲を引き連れてゆっくりと回転する。
今回の研究で、天文学者たちは「私たちがこれまで、太陽系を抱いている銀河系の存在を過小評価してきたかもしれない」という問題を提起した。天文学者はスーパーコンピュータを活用し、銀河規模の潮汐力が持続的に作用する場合、オールトの雲の形態がどのように変化すべきかをシミュレーションした。その結果、オールトの雲は単純な球形の雲ではなく、銀河系のように鮮明なS字状の渦巻き腕を描く形態に変化した。
より興味深い違いは、オールトの雲の内側境界で明らかになった。従来の図では、オールトの雲は外郭がタンポポの綿毛のように丸く広がっているが、太陽系の内側に近づくとまるで丸いドーナツのような姿になると推定されていた。内側のオールトの雲は、巨大バージョンのカイパーベルトのように輪の形状を維持し、外側のオールトの雲に比べて外部摂動の影響をあまり受けない安定した構造として存在すると考えられていた。しかし、新しいシミュレーションによると、オールトの雲は内側も外側も鮮明な渦巻き腕の形を描く。しかも、このような渦巻き状のオールトの雲は、太陽系が誕生して間もない42億年前からその姿を維持してきたという結果が出た。こうして作られたS字状のオールトの雲は、地球の公転軌道面に対して約30度傾いた方向に広がっている。
今回のシミュレーションの結果は、もしかすると私たちがこれまでオールトの雲を探すために、見当違いの場所を探していた可能性を示唆している。これまで天文学者は、カイパーベルトの向こうに徐々に密度が薄くなる微かな輪が広がっていると期待し、地球の公転軌道面、すなわち黄道を大きく外れない空の中でオールトの雲の痕跡を探してきた。しかし今回のシミュレーションは、黄道面から大きく視点を変えなければ見つけられないという新しい手がかりを提供している。
今回の発見は、単に「オールトの雲が当初の想定よりも少し歪んでいる可能性がある」という話にとどまらない。太陽系がその境界を越えた周辺の銀河系空間とどのような形で相互作用しているのか、私たちの太陽系が外部世界の重力にどれほど強い影響を受けているのか、またそれによって形態が変わってしまうほど脆い存在であることを改めて認識させてくれる重要な発見になり得る。
もし今回の発見が事実として確認されれば、天文学の歴史の中の「雲」は、再び絶妙な偶然を繰り返すことになるかもしれない。20世紀初頭、天文学者は夜空に現れた渦巻き状の雲を発見し、その正体を熟考した末に、私たちの銀河系の向こうに広がる巨大な宇宙と出会った。そして絶妙にも「オールト」という名前がついた雲も、単純な球形ではなく、渦を巻く形として登場した。太陽系の向こうの世界に対する新しいパラダイムを強要しているのかもしれない。もしかすると天文学者の辞書の中で、「雲」という単語には「渦巻く」という定義が含まれるべきなのかもしれない。
参考
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2025arXiv250211252N/abstract
筆者のチ・ウンベは？ 猫と宇宙を愛する。幼い頃『銀河鉄道999』を見て、宇宙の美しさを広めたいという夢を持つようになった。現在、延世大学校銀河進化研究センターおよび近宇宙論研究室にて、銀河の相互作用を通じた進化を研究しており、講演や執筆など多様な科学コミュニケーション活動を行っている。『サム（Some）乗る天文学台』、『一日中宇宙のこと』、『星、光の科学』などの著書がある。