彗星はすべて同じ場所から来る可能性がある

ジュリアス・シーザーの魂の昇天から黒死病の始まりまで、人類は空を横切る彗星の軌跡に無数の意味を見出してきた。

しかし、天文学者が奇妙な真実を発見したのはごく最近になってからだった。天空を飛ぶ惑星や小惑星、その他の岩石の塊とは異なり、彗星は主に氷と少量の塵でできている。そして、それらのさまざまな氷（凍った一酸化炭素とメタン分子、水、その他の化合物）は、化学物質と塵の滑らかな円盤が太陽の周りを回っていた太陽系の初期時代の貴重な記録である。それ以来、惑星はそれらを形成した原始物質の痕跡をほぼすべて巻き込み、今日では冥王星の軌道から時折舞い込む数マイル幅の雪玉の中にのみ残っている。

「彗星は一生のほとんどを極低温で過ごします」とテキサス大学オースティン校の天文学者アニタ・コクラン氏は言う。「彗星を研究するとき、私たちは基本的に太陽系が形成された時の遺物を見ているのです。」

現在、研究者たちは、彗星と初期の太陽系について私たちが知っていることすべてを、一貫した起源の物語に変えようと試みている。予備的なテストとして、あるグループはいくつかの彗星を観測し、最終的に太陽系となるいわゆる「原始惑星系円盤」にどのような化学物質が存在したかという予測と照らし合わせた。太陽の周りを10年未満から数千年まで軌道を描いている現在の約12個の彗星の多様な選択の背後に、研究者たちは予想外の傾向を発見した。

「これらの彗星はすべて、実際には同じ半径の範囲内で形成された可能性がある」と、博士論文の一部としてこの研究を率いたバージニア大学の天文学者、クリスチャン・アイストルプ氏は言う。「太陽系の円盤の周りのリングだ」

これらの天体の共通の起源を明らかにするには、数十年にわたる彗星の観測と太陽系の形成に関する新しい理論を融合する必要があった。観測の面では、アイストルプ氏は研究を徹底的に調べ、どの彗星でどのような化学氷が発見されたかのカタログを手作業で作成した。理論の面では、アイストルプ氏と共同研究者らは、宇宙の化学である天体化学という新興分​​野の最善のものを利用した。アルマ望遠鏡やスピッツァー宇宙望遠鏡などの強力な近赤外線および赤外線望遠鏡は、他の恒星の周りで発達中の惑星円盤内の特定の分子をマッピングするのに役立ってきた。そして、宇宙の条件を模倣することを目指す地上の研究室は、粒子が集まって氷や塵になり、最終的には小石や惑星になった経緯を説明する上でのギャップを埋めつつある。

たとえば、太陽系は分子ではなく原子から生まれたという説がその一例だ。アイストルプ氏は、最初の粒子は星間を漂う天然の氷分子から来たのかもしれないが、彼が発見した彗星のパターンが成り立つのは、それらが原子から始まったと仮定した場合のみだと説明する。つまり、若い太陽の初期の爆発によって吹き飛ばされた星間氷のかけらだ。

アイストルプ氏はコンピューターシミュレーションを実行して、原始惑星系円盤内のメタン、二酸化炭素、その他の分子の想定される分布が、彼の彗星の束で見られる化学物質の量にどのようにつながったかをテストしました。彼は、観測された存在量に最もよく一致する条件の範囲が1つあることを発見しました。つまり、彼の彗星14個はすべて、21度から28ケルビン（華氏マイナス422度からマイナス409度）の温度で形成された可能性があり、これは太陽系が冷却するにつれて太陽から外側に移動する比較的狭い空間の帯にマッピングされます。そこから、木星などの将来のガス巨星がそれらのほとんどを太陽系から完全に追い出し、残ったものに現在のような長くループする軌道を与えたと考えられます。この結果は、Astronomy & Astrophysics誌に掲載される予定です。

他の研究者たちは興味をそそられているが、彗星形成の説が覆されたと断言するのはためらわれている。「[彼の研究結果]が正しいかどうかは私には分かりません」と、この研究には関わっていないコクラン氏は言う。「しかし、彗星を観察し、それが形成されたと考えられる場所を調べるというのは正しい概念です」

彼女は、アイストルプ氏がサンプルを拡大して、さらに長い軌道を持つ彗星や崩壊しつつある彗星など、より広範囲の彗星を網羅することを望んでいる。特に、彼女は最近発見された「奇妙な」彗星が彼のモデルを破綻させる可能性があると強調している。アイストルプ氏は、自分のモデルが新しい外れ値を乗り越えられると考えているが、それ以外は批判に同意している。「彗星は何十億個もあります」と彼は言う。「そのうちの 14 個は、サンプル サイズとしてはそれほど大きくありません。」

全ての彗星の正確な組成が分からないのも、もう一つの弱点だ。彗星に含まれる化合物が多ければ多いほど、シミュレーションでその形成をより正確に特定できるとアイストルプ氏は言う。これにより、ハレー彗星や、欧州の探査機ロゼッタが観測した67P彗星など、よく研究されている天体については理解が深まるが、あまり知られていない氷の球体については、答えが曖昧になる。

コンピュータシミュレーションを本当に強化するために、彗星研究者たちは、日本のはやぶさミッションが小惑星の塵を採取したのと同じように、サンプルを採取して地球に持ち帰ることを夢見ている。そうすれば、研究者たちは彗星の正確な組成を自分たちの測定結果と照らし合わせることができる。しかし今のところ、研究者たちはモデル製作者と天文学者の間で繰り広げられる段階的な推測と検証のプロセスに甘んじるしかない。「彼らは徐々に、うまくいくものとうまくいかないものを積み上げていくでしょう」とコクラン氏は言う。「その間に、観測者である私たちは、彼らの見解に疑問を投げかける彗星を見つけるでしょう。」