連星のダンスで生み出された17重のダストリング

【2022年10月17日 NASA／JAXA宇宙科学研究所】

米・NSF国立光赤外線天文学研究所（NOIRLab）のRyan Lauさんたちの研究チームが、はくちょう座の方向約5300光年の距離に位置する連星系「ウォルフ・ライエ 140（Wolf-Rayet 140、以降WR 140）」をジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）の中間赤外線カメラ（MIRI）で観測し、少なくとも17本の塵のリングが同心円状に連星を取り巻いている様子をとらえた。

これらのリングは完全な円形ではなく、実際には画像に写っているよりもずっと広い範囲に広がったシェル（球殻）構造になっている。

リングの一つ一つは、連星の軌道周期である約8年ごとに年輪のように作られたものだ。2つの星は楕円軌道を描いて互いに公転しており、最も近づくときは地球・太陽間の距離ぐらいまで接近する。そのときに両方の星から吹き出した恒星風が衝突することで、塵が生成される。「この連星系が1世紀以上にわたって塵を生み出してきた様子が見えています。これまでの地上望遠鏡では、2本のリングしか確認できませんでした。JWSTでは少なくとも17本見えています」（Lauさん）。

WR 140を取り巻く塵のリング。濃淡の縞模様が見えるのは、2つの星が最も接近したときにだけ塵が多く生成されることと、そのような連星系の軌道面を真横からではなく斜めから見ていることによる（提供：NASA, ESA, CSA, STScI, JPL-Caltech）

WR 140の2個の星はともにウォルフ・ライエ星という天体で、太陽の25倍以上という大質量の高温星（O型星）が進化し、まもなく寿命を迎える最晩年の段階にある。ウォルフ・ライエ星は若いころよりもさらに高温になっていて、強い恒星風で外層の物質を大量に宇宙空間へと吹き出している。WR 140の2個の星々は、すでに元の質量の半分以上を失った状態だと考えられている。

WR 140を形づくるウォルフ・ライエ星（左）と、元々のO型星（右）、太陽（左上）の大きさの比較（提供：NASA/JPL-Caltech）

天の川銀河にはこのようなウォルフ・ライエ星が数千個以上存在すると推定されているが、これまでの観測では600個ほどしか見つかっていない。「ウォルフ・ライエ星は短命なので私たちの銀河の中では珍しい天体ですが、超新星爆発を起こしてブラックホールを形成する前に多くの塵を生み出す活動を、銀河の歴史全体にわたって行ってきたのかもしれません」（米・カリフォルニア工科大学 Patrick Morrisさん）。

恒星に最も多く含まれている水素は塵の材料にはならない。塵になるのは、星の内部での核融合で作られた炭素などの重い元素だ。LauさんたちはJWSTの中間解像度分光計（MIRI MRS）を使って塵のリングの分光観測を行い、炭素原子を多く含む有機物などの分子が塵に含まれる可能性が高いことを示した。

他のウォルフ・ライエ星の連星系でも周囲に塵が見られるものはあるが、WR 140のように何重にもなったリングは他にない。これはWR 140の連星の軌道が楕円であるためだと考えられる。円軌道に近い連星系ではずっと同じペースで塵が生成され、シェル状の濃淡はできないからだ。

一般に、ウォルフ・ライエ星の周囲は、星からの強い恒星風や放射圧にさらされる激しい環境だが、WR 140のリングは乱されることなく形を保っている。Lauさんたちはその理由として、リングを乱すような他の物質が、WR 140の恒星風によって一掃されているためではないかと考えている。こうした苛酷な環境でも塵のリングが生き残るということは、このような塵が次の世代の恒星や惑星の材料となりうるということでもある。

研究チームの松原英雄さん（JAXA宇宙科学研究所）は、「WR 140のような短命のウォルフ・ライエ星は、初期宇宙にも存在していた可能性が高いです。今回の発見は、宇宙の物質進化を研究する天文学者にとって大きな助けになると思います」と語っている。

今回の研究成果の紹介動画「Cosmic Dust Rings Spotted by NASA’s James Webb Space Telescope」（提供：NASA JPL）