[비즈한국] 私たちは皆、どこから来たのか？ 天文学はこの問いに対して非常に素敵な答えを出している。私たち皆が「星の塵」であるということだ。私たちは皆、星であり、宇宙の塵である。これは単なる比喩ではなく、科学的に本当にそうなのだ。私たちは皆、遠い昔に爆発して消えた星が残した材料から作られた。
原子のレベルまで分解して考えれば、あまりにもその通りだ。しかし、その原子が一つ二つと集まってより複雑な分子を形成する過程から考えてみると、依然として解けない謎が多く残されている。その中でも私たちを最も当惑させるのは、まさに水の起源である。地球の表面は70%が海で満たされている。水は地球の生命にとって最も重要な材料だ。しかし驚くべきことに、この水が一体どこから来たのか、私たちはまだ正確な答えを知らない。
水素2つと酸素1つで構成された水分子そのものだけを見れば、水は宇宙のどこででも簡単に見つかるありふれた成分だ。当然、地球の水と同じような水が宇宙のあちこちにあると考えるようになる。例えば、太陽系の果てにある小惑星や彗星にも氷がある。そもそも太陽系の外から飛んでくる星間天体も凍っている。当然、彼らが持っている水と私たちの地球の水に大きな違いはないだろうと容易に想像できる。水がかなりありふれた存在であるという期待は、自然と地球外生命体への期待へとつながる。
しかし、宇宙は全く予想外の姿を見せてくれる。当惑することに、地球の水は非常に特別なものに見える。太陽系の他の場所では簡単に見つけることのできない、地球ならではの格別な水のように見えるのだ。
2025年、太陽系に非常に見慣れない訪問者がやってきた。「3I/ATLAS」だ。名前からも分かるように、公式に3番目に確認された星間天体という意味である。太陽系の中で私たちと共に生まれ育った小惑星や彗星ではなく、全く別の星の周りで形成された後、本来の故郷を離れ、星と星の間の空間を横切って偶然太陽系に入り込んできた天体である。
2017年に初めて発見された星間天体「オウムアムア」は、その奇妙な軌道と細長く奇妙な形態のおかげで、さらに私たちをワクワクさせた。ある人々は、それが自然の天体ではなく、地球外文明の探査機かもしれないと期待した。2019年には2番目の星間天体「ボリソフ」が発見された。最初の発見に比べれば非常に地味で、人々の関心も低かった。オウムアムアよりもはるかに平凡な、彗星らしい姿を見せた。氷が昇華しながら周囲に気体と塵で構成された巨大なコマ（彗星核を取り巻くガス）が作られ、尾も引いた。そして2025年、3番目の訪問者3I/ATLASがやってきた。
この天体は一体どこから、いつ飛んできたのか？ まさにこのような単純な質問が、私たちをさらに驚くべき未知の世界へと導く。天文学者たちは、この天体がどれほど長い間星間空間を漂っていたのか、その中に地球外生命体の手がかりが隠されていないかを掘り下げた。そして、もしかすると太陽系の向こうの広大な宇宙には、地球と似た水や生命の材料が非常にありふれているかもしれないという期待に応える手がかりが出ることを願った。しかし、当惑することに、全く逆の結果に直面した。
3I/ATLASも氷を抱いている。しかし、地球の水よりもはるかに重い水分子で構成されていた。より正確に言えば、水分子を構成する水素が平凡な軽い水素ではなく、より重い水素の同位体なのだ。これを重水素、デューテリウムと言う。水分子の中の水素の一つだけが重水素である場合、HDOとなる。これを半重水（semi-heavy water）と呼ぶ。完全に水素2つがすべて重水素である場合もある。D2Oの場合だ。これを最も狭い意味での重水と呼ぶ。実際、天文学ではHDOの方が重要だ。そもそも重水素は非常に希少であるため、水素2つとも重水素である水分子は極めて稀だからだ。そのため、HDOの比率を測るだけでも、その場所の水がどのような環境で誕生したのかを知ることができる。
それでは、重水素は一体どこから来たのか？ 重水素は冷たい環境でより多く生成される。星が生まれる前、冷たい分子雲の中ではH3+というイオンが非常に重要な役割を果たす。このイオンは一般の水素一つに重水素一つが結合した形であるHD分子と反応し、H2D+を作る。この反応は温度が低いほどよく起こる。逆に温度が高くなれば再び元の状態に戻り、H3+イオンを作る方向に進行する。自然と重水素を抱えるイオン、分子の数は再び減ることになる。
そのため、非常に冷たい環境では重水素が含まれるイオンと分子がより多く作られる。そうして作られた重水素は、分子雲の中の塵の粒子の荒い表面に凍りつき、氷の中に入り込む。そしてその氷が後に彗星や微惑星として固まると、その中にはまさに重水素の氷が凍りついていたその瞬間の環境がそのまま残されることになる。そのため、彗星の氷の中でD/H（重水素/水素）同位体の比率を求めれば、その天体が初めて凍りつき固まった当時の環境を推測できる。
2025年11月4日、3I/ATLASが太陽に最も近い近日点を通過してから数日しか経っていない時期に、チリのALMA電波望遠鏡がこの天体に向けられた。当時3I/ATLASは太陽からわずか1.37AUの距離だった。これなら水氷の昇華が強く起こる距離だ。天文学者たちはALMAを通じて、水、半重水HDO、そしてメタノールCH3OHが痕跡を残すスペクトルをくまなく探した。
その結果、HDOといくつかのメタノールの放出線が現れた。一般的な水のシグナルははっきりと出てこなかった。当然3I/ATLASも彗星だから水氷が多いはずなのに、一般的な水は見えず、ほとんどすべてHDOだけが見えた。単純に比率を計算するだけでは意味のあるD/H値を見つけることは困難だった。そこで、より精巧な方法を使用した。水でも半重水でもない、唐突なメタノールを活用したのである。メタノール分子が励起された状態を利用して、3I/ATLASのコマの中で水がどれだけ作られているのかを間接的に推定した。
彗星のコマの中でメタノール分子は周囲の他の分子とぶつかりながら、特定のエネルギー準位に励起される。そして再び低いエネルギー状態に戻る際、特定の波長の電波を放出する。この時、メタノールが放出したスペクトルの形を見ると、そこにメタノール分子がどれほど高い密度で、どれほど低い温度で存在するのかが分かる。彗星のコマでメタノール分子とぶつかる最も主要な衝突相手が水分子だと仮定すれば、メタノール分子の励起状態は、すなわち周囲の水分子の密度、水の生成率を知らせる指標となる。3I/ATLASのコマの温度は約70K（ケルビン）と推定される。この温度を適用すると、3I/ATLASは1秒間に約10の29乗個のレベルで水分子を生成するという結果が出る。
しかし、この数値をそのまま受け入れるには限界がある。実際、3I/ATLASのコマは水分子だけでなく、二酸化炭素、一酸化炭素、メタノールのような他の揮発性気体分子も作ることができるからだ。特に3I/ATLASは太陽系の他の彗星に比べ、二酸化炭素が非常に多いという結果もある。そのため、この数値は3I/ATLASにある正確な水の量というよりは、その上限値と見るべきだ。これに基づいてHDOの量と水分子の上限値を比較すると、3I/ATLASのD/H比率は約6.6×10^-3程度である。数字だけ見ればかなり小さい数字のように見えるが、これほどのレベルなら地球の海水のD/Hに比べて40倍以上高い水準だ。3I/ATLASは地球よりはるかに重い水素で構成された、より重い水分子でガチガチに凍っている。
ところで、ここで留意すべき点は、実際には3I/ATLASにある平凡な水分子の数はもっと少ない可能性があるということだ。前述したように、今回の分析に使用した水分子の推定値はその上限値である。実際には二酸化炭素や一酸化炭素のような他の分子がさらに存在するため、水分子の量はもっと少ない可能性がある。ところが、D/Hにおいて平凡な水分子の数は分母に入る。したがって、実際の水分子の数がさらに減れば、D/Hはさらに大きくなる。今回の粗い推定だけで、3I/ATLASはすでに地球の海水の40倍を超える高い数値を示したが、実際にはそれよりもはるかに大きい可能性があるということだ！
これは単に「3I/ATLASの水が地球と少し違う」といったレベルの話ではない。この驚くべき結果は、3I/ATLASが太陽系にある彗星とは全く異なる環境で誕生した存在であるという事実を示している。さらに、太陽系の向こうの別の星のそばで惑星や小惑星、彗星がどのように誕生するのか、そこの氷や水がどのような条件で作られるのかを示している。そして私たち地球と太陽系が宇宙全体から見た時にどれほど普遍的な場所なのか、あるいは非常に特殊な場所なのかについてのヒントを提供している。
それでは、3I/ATLASが生まれた場所は一体、我々の太陽系とどれほど違うのだろうか？ 第一に、3I/ATLASは太陽系の彗星よりもはるかに冷たい環境で形成された可能性が高い。重水素の濃縮は概して30Kよりも低い極めて冷たい環境で効率的に起こる。太陽系の彗星ももちろん非常に寒い場所で凍りついているが、3I/ATLASはそれよりも極端に温度が低い環境で生まれたという手がかりを示している。
第二に、3I/ATLASの故郷の星が太陽とは大きく異なる環境で生まれた星である可能性がある。太陽は恐らく、ある程度星が密集した星団環境で生まれた可能性が高い。今は力学的な戦いに敗れて孤独に輝いているが、太陽自身だけを見れば至極平凡な星だ。元々太陽が生まれた時に周囲に別の星々があったなら、周囲の星々の強烈な紫外線は、原始太陽系の縁にある氷とガスを温めただろう。このような環境では、水氷のD/H比率が極端に高くなるのは難しい。
ところが、もし3I/ATLASの故郷の星がはるかに孤立した環境であり、周囲に彗星を照らす隣接した星がほとんどなかったなら、3I/ATLASの環境ははるかに冷たく保たれていただろう。その結果、氷の中にさらに高い重水素が濃縮されたのかもしれない。
もう一つの第三の可能性は、3I/ATLASが自身の故郷の星から遥か遠く離れた、原始惑星系の最外縁部で形成された可能性である。星に近い場所では水や有機分子の大部分が加熱されて蒸発し、再び凍りつく過程を繰り返す。そうして元の極低温環境での痕跡は消えてしまう可能性がある。ところが、最初から故郷を脱出するまで3I/ATLASがずっと故郷の星の縁で漂っていたなら、極低温の環境が維持され続ける。そうして作られた氷の微惑星には、はるかに原始的な同位体の組成が保存されうる。
最後に第四の可能性として、3I/ATLASが非常に早い時期に、故郷の星のそばで生まれるやいなや弾き飛ばされた可能性もある。故郷の星のそばに長く留まっていれば、中心の星の光が氷を温めていただろう。また、周囲の他の天体とぶつかり続け、周囲の他の巨大な惑星が重力的に加熱する過程を経たはずだ。その過程で重水素は多く消えていたはずである。ところが、生まれるやいなやあまりにも早く故郷の星から弾き飛ばされてきたのであれば、重水素が消える間もなく高いD/H数値を維持したまま星間旅行へと旅立った可能性がある。
星間空間を漂うこともどれほど過酷な旅であるかを考えると、3I/ATLASが見せてくれる姿は本当に驚くべきものだ。故郷の恒星系を脱出したからといって、熱い星の光から完全に逃げられたわけではない。宇宙には依然としてあまりにも多くの星があり、星に比べてあまりにも小さい彗星の断片に過ぎない3I/ATLASは、隣接する他の星々の重力に巻き込まれやすい。他の星の近くを通過するだけでもすぐに宇宙放射線、紫外線、星間物質と相互作用し、表面の化学成分が急速に変質する可能性がある。ところが3I/ATLASは、極低温の環境で形成された元の姿を驚くほどよく守り抜いた。
結局、最も自然な解釈は、星間空間の過酷な環境を通過したにもかかわらず、これほどD/Hが高いということは、最初からD/Hが非常に高い状態からスタートしたのだろうということだ。
3I/ATLASは星間版の隕石だ。まるで火星に直接行くのは難しいが、たまに地球に落ちる火星隕石を拾って間接的に火星の成分を調べるように、太陽系の向こうの別の星や系外惑星には直接訪問できないが、長い時間と距離を耐えて我々に飛んできた3I/ATLASのおかげで、系外惑星がどのような多様な環境で誕生しうるのかを推し量ることができる。これまで私たちは数百、数千光年離れたぼやけた系外惑星のシルエットだけを見ながら、かすかなスペクトルの中に埋もれた水分子の曖昧な痕跡を調べていたが、突然やってきた3I/ATLASのおかげで、系外の成分を目の前で分析することができた。
彗星は一般に、太陽系形成初期の歴史を示すタイムカプセルと見なされる。彗星は簡単に言えば「汚れた氷」だ。氷に岩石、塵が混ざった塊だ。太陽に近づくにつれて表面の氷が昇華し、長い尾を引く。この時に放出される分子成分を分析すれば、彗星が抱いていた氷の化学組成を知ることができる。長い間太陽系の果てにガチガチに凍りついていた彗星は、太陽の重力に引かれて太陽に近づく過程で、自分自身が長年隠し持っていた秘密を放流するのだ。
参考
https://www.nature.com/articles/s41550-026-02850-5
筆者のチ・ウンベは？ 猫と宇宙を愛する。幼い頃に『銀河鉄道999』を見て、宇宙の美しさを伝えたいという夢を持つようになった。現在、世宗（セジョン）大学自由専攻学部助教授として、講演や執筆など様々な科学コミュニケーション活動を行っている。『天文学者の役に立たなさについて』、『私たちは皆、天文学者として生まれる』、『宇宙を見ると浮かぶ奇妙な質問たち』などの本を書いており、『私はどうして冥王星を殺したのか』、『クォンタム・ライフ』、『UFO』などを翻訳した。