ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡、恒星間天体3I/ATLASでメタンを検出

JWSTが恒星間天体3I/ATLASを分析、メタンと地下の揮発性物質を検出

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）は、太陽系外からの来訪者の研究において重要な節目を迎え、恒星間天体3I/ATLASに対して初となる中赤外分光分析を実施した。太陽系外から飛来したことが確認された3番目の天体であるこの3I/ATLASは、遠方の異質な環境で形成された天体の化学組成について、詳細かつ希少な知見を天文学者たちに提供した。Matthew Belyakov、Ian Wong、Bryce T. Bolinらを含む研究チームは、望遠鏡の中赤外分光器（MIRI）を利用して、近日点通過後の当該天体を観測。熱処理の複雑な履歴と、古代の地下揮発性物質が保存されていることを示唆するデータを捉えた。2025年12月の観測で得られたこれらの知見は、他の恒星系の構成要素をサンプリングする能力におけるパラダイムシフトを象徴している。

3I/ATLASの到来は、謎に包まれた1I/オウムアムアや、より典型的な彗星に近い性質を持つ2I/ボリソフの足跡をたどるものである。しかし、3I/ATLASは、その軌道のタイミングとJWSTの前例のない感度により、特性評価のためのユニークな機会を提供した。運動学的解析によると、この天体は古代の恒星が密集する銀河系の厚い円盤（thick disk）に由来する可能性が高く、いて座の方向から太陽系に接近したと考えられる。このような天体を研究することで、科学者たちは、我々の太陽系の化学的設計図が一般的なものなのか、あるいは銀河近傍において特異な存在なのかを判断することができる。3I/ATLASの観測は、日心距離2.20および2.54 auで実施され、天体が恒星間空間への長い帰還の旅を始める際のアウトガス挙動を観察する窓口となった。

3I/ATLASの科学的重要性と揮発性物質のシグネチャー

3I/ATLASの化学的な指紋を捉えるため、研究チームはJWSTのMIRI装置に搭載された中解像度分光器（MRS）を使用した。これにより、5〜28ミクロンの波長範囲にわたる特定の蛍光特性の検出が可能となった。主な発見の中には、5.8〜7.0ミクロンの間での水蒸気の\(\nu_2\)バンドの明確な検出や、15ミクロン付近を中心とする二酸化炭素（CO₂）の主要な\(\nu_2\)バンドおよび関連するホットバンドが含まれている。これらの測定により、驚くべき化学プロファイルが明らかになった。3I/ATLASは、約8:1という極めて高いCO₂対水の比率を示しているのである。この比率は、典型的な太陽系彗星で観察されるものよりも大幅に高く、この天体が二酸化炭素に富んだ領域で形成されたか、あるいは原始的な化学組成を変化させるような特定の放射線条件下で形成された可能性を示唆している。

標準的な揮発性物質以外にも、MIRIのスペクトルは7.507ミクロンにおいて原子状ニッケルの禁制遷移を明らかにした。彗星のコマの中にこのような重金属の蒸気が存在することは、太陽系彗星においてようやく最近認識されるようになった現象であり、恒星間天体での検出は、異なる恒星系間での特定の熱プロセスの共通性を強調するものである。チームはまた、核近傍のコマ内における水生成の広がりを観測した。これは、ガス放出が核自体からだけでなく、コマ内に取り込まれた氷の粒子からも発生していることを示している。この「広がった波源（extended source）」現象は、3I/ATLASの物理的構造に関する手がかりを与えており、温まるにつれて物質を放出する、壊れやすく氷に富んだ組成であることを示唆している。

メタンと地下物質の画期的な検出

JWSTによる観測キャンペーンでおそらく最も画期的な成果は、恒星間天体におけるメタン（CH₄）の初めての直接検出である。メタンは揮発性が非常に高く、太陽熱によって彗星天体の表面層からは枯渇していることが多い。3I/ATLASの場合、研究者たちはメタンの生成開始が水に比べて遅れていることに注目した。これは、メタンが表面のすぐ近くに存在していたのではなく、未処理の地下物質の中に閉じ込められていたことを示唆している。近日点通過中に太陽の熱が天体のより深部まで浸透したことで、これらの「新鮮な」揮発性物質が放出され、数百万年あるいは数十億年前の天体形成時から変化していない手つかずの物質を垣間見ることができたのである。

この発見は、恒星間天体におけるメタンの存在に関する長年の疑問に答えるものである。以前の2I/ボリソフの観測では、様々な炭素含有分子の存在が示唆されていたが、3I/ATLASにおけるCH₄の直接特定は、これらの恒星間来訪者が複雑な化学反応に必要な有機前駆体を運んでいることを裏付けている。オールトの雲の彗星の基準値と比較した際の高いCH₄:H₂O比は、3I/ATLASが化学的に際立った実体であることをさらに際立たせている。地下のメタンの出現は「熱時計」として機能し、天体の最外層がいかに恒星間放射や過去の加熱イベントによって処理されたか、その一方で内部がいかに別の世界からの極低温のタイムカプセルとして留まっていたかという物語を語っている。

比較惑星学と3I/ATLASのアウトガスの動態

JWSTの観測は、2025年12月の12日間を隔てた2つの異なる時期に行われた。このタイミングにより、研究チームは天体が太陽から遠ざかるにつれての活動の推移を追跡することができた。興味深いことに、データはこの短い期間に全体的なガス放出が大幅に減少したことを示した。最も注目すべきは、測定された水の活動レベルが他のガス種よりも急激に低下したことである。この差異的なガス放出は、関連する物質の揮発性に関する重要なデータを提供している。表面が冷えるにつれて、CO₂やCH₄よりも昇華に多くのエネルギーを必要とする水が、真っ先に生成量の減少を見せたのである。この挙動は、太陽系内部で見つかるより「温暖な」彗星と比較して、3I/ATLASが極めて揮発性物質に富んだ天体であるという地位をさらに強固なものにしている。

3I/ATLASを地元の彗星と比較したとき、最も顕著な違いは依然として二酸化炭素の豊富さである。ほとんどのオールトの雲の彗星では水が主要な揮発性物質であるが、3I/ATLASは炭素酸化物が支配的であるように見える。この化学的シグネチャーは、我々の太陽よりも低温の恒星周囲の原始惑星系円盤、あるいは水氷よりもCO₂氷が支配的となるような円盤の領域における形成環境を示している可能性がある。研究者たちは、3I/ATLASが銀河系の薄い円盤と厚い円盤の間の遷移領域において、おそらく原始的な微惑星円盤や、恒星との遭遇によって乱された外部オールトの雲（exo-Oort cloud）の中で誕生したのではないかと推測している。

恒星間研究の今後の展望

3I/ATLASの特性評価の成功は、「エイリアン」天文学の新しい時代の幕開けを告げるものである。恒星間来訪者の化学的基準を確立することで、JWSTは、惑星系が銀河全体でどのように形成され進化するかについてのより正確なモデルを構築するために必要なデータを提供している。単一の恒星間天体の中にメタン、二酸化炭素、原子状ニッケルが存在することは、これらの天体の多様性がこれまで予想されていたよりもさらに大きい可能性を示唆している。新しい来訪者があるたびに、遠方の太陽系のサンプルが「無料」で提供され、それらに到達するために何光年も旅するという不可能な試みを代替してくれるのである。

今後、科学コミュニティはこのような発見の急増に備えている。建設中のヴェラ・C・ルービン天文台による「時空間遺産サーベイ（LSST）」では、我々の近傍に進入するさらに多くの恒星間天体が検出されると期待されている。JWSTが高解像度の「追跡」能力を提供することで、天文学者たちは間もなく、3I/ATLASのような個別の珍しいケースの研究から、恒星間の化学的多様性に関する統計的な調査へと移行することになるだろう。広大な宇宙空間を越えて揮発性物質がどのように保存されるかという理解が進むことは、最終的に、生命の構成要素の起源や、天の川銀河全体における居住可能な環境の頻度を理解する助けとなるだろう。