若い星が炭素を焼き払う場所

炭素は、私たちの知る生命の骨格であり、人体の乾燥重量の半分以上を占める。ところが地球には、奇妙なほど炭素が足りない。私たちの惑星の岩石の大部分が質量あたりに含む炭素は、太陽や、地球が生まれた星間塵と比べて約4桁、つまり1万分の1しかない。紫外線から酸化まで、いくつかの説明が提案されてきたが、どれもこれを完全には説明できていない。

容疑者の1つは熱だ。塵粒子に含まれる炭素には、すすのようなアモルファス炭素、炭化水素、グラファイトといういくつかの形があり、それぞれ異なる温度で分解する。およそ500ケルビン、つまりすす線（soot line）から、最も揮発しやすい形が逃げ出し、約1,200ケルビンになるとアモルファス炭素さえ消えてしまう。これまでの研究では、この加熱は地球の形成から最初の100万年以内に起きたはずだと見積もられていた。

「時刻ゼロ」でとらえられた星

HOPS-68は、約414パーセク離れたオリオン分子雲にある、非常に若い星だ。同じチームによる関連研究は、その内側の円盤の中央部が1,400ケルビンに達することを示した。すべての塵が蒸発するほどの高温だ。私たちの太陽系もこのような段階を経た。それは隕石の記録における「時刻ゼロ」、つまりカルシウムとアルミニウムに富む粒子が、若い太陽の近くで高温のガスから凝縮した時期である。その瞬間の候補として知られている若い低質量星は2つだけで、どちらもオリオン座にある。

ライデン大学のF. J. Ballieux、M. K. McClureらは、米国とドイツの協力者とともに、JWSTの中間赤外線装置で得られたそのスペクトルの炭素を、（サブ）ミリ波干渉計ALMAのアーカイブデータとあわせて調べた。

炭化水素に満ちたスペクトル

HOPS-68の光には、多くの炭素分子の指紋が刻まれている。

• 温かいシアン化水素とアセチレン。それぞれ約320ケルビンと430ケルビンで、量が多く、もう1つの「時刻ゼロ」の星のまわりの約20倍にのぼる。これらは星に対して毎秒39〜53キロメートルで私たちのほうへ動いている。これは、円盤から吹き出す風をたどる酸素を含むガスと同じ動きだ。
• より冷たい分子。40〜55ケルビンほどで、ジアセチレン（C₄H₂）、メチルラジカル、一硫化炭素が含まれる。おそらく円盤の外側か、星からの流出が削り出した空洞の壁沿いにある。
• トリアセチレン（C₆H₂）。6個の炭素原子からなる鎖で、若い星のまわりで初めて検出された。

ALMAはもう1つの手がかりを加える。C₂Hラジカルが流出空洞の壁を縁取っており、内側へ落ち込むのではなく、ジェットとともに外へ動いているのだ。

炭素破壊ゾーン

著者らはあるシナリオを提案する。すす線と、アモルファス炭素さえ蒸発する地点とのあいだ、つまりおよそ500〜1,200ケルビンの範囲に、著者らが「難揮発性炭素破壊ゾーン」と呼ぶ領域がある。そこでは、固体の炭素がすべて粒子を離れて気体になる。HOPS-68では、非常に熱い内側領域がこのゾーンを外側へ押しやり、広げている。放出された炭素は、星に飲み込まれるか、円盤風に運び去られる。

いずれにせよ、岩石惑星が形成される領域の塵は炭素を失う。チームによれば、同じ過程が地球の炭素不足に寄与したのかもしれない。風が実際にどれだけの炭素を取り除くのかは、まだ測られていない。

さらに外側では、紫外線がアセチレンをC₂Hに分解し、それがさらにアセチレンと反応して、C₄H₂やC₆H₂のようなより長い鎖をつくる。900〜1,100ケルビンでは、破壊ゾーンが炎の中のように多環芳香族炭化水素まで生み出しているかもしれない。これはまだ確認が必要だ。

原始星から小惑星へ

この研究には、より広い2つの帰結がある。第一に、ほかの若い星のまわりで見られる炭素鎖は、これまでふつう、周囲のエンベロープから落ち込むガスによるものとされてきた。HOPS-68では炭素鎖ははっきりと外へ流れ出しており、この化学はむしろ流出をたどっているのかもしれない。

第二に、小惑星リュウグウとベンヌから持ち帰られた試料には、鎖状の（「脂肪族」の）有機物が豊富に含まれている。HOPS-68の長い鎖は風の外側でつくられるので、吹き飛ばされない。のちに外側の円盤へ落ちてくる可能性がある。著者らは、こうした鎖が小惑星や隕石の有機物の一部になっているのかもしれないと示唆する。もしそうなら、HOPS-68は1つの若い系の中で、そうした隕石の粒子の形成と、それらが埋め込まれている炭素に富む物質の両方を見せてくれることになる。惑星系で最初の小天体がどう形成されたかを読み解く、ロゼッタストーンだ。