JWSTが銀河中心ブラックホールの目前で水を検出——銀河核でも化学反応は起きていた

恒星IRS 3は、水を作っているはずがなかった。この星は銀河系の中心にある超大質量ブラックホール、いて座A*からわずか0.55光年の軌道を周回している。この領域は紫外線とX線放射が飽和状態にあり、ほとんどの分子は完全に形成される前に破壊されると予想されていた。ところが、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）のMIRI装置によるデータは、IRS 3が水蒸気と酸素に富むケイ酸塩ダストの両方を含む高密度のエンベロープに囲まれていることを示している。これはまさに、死にゆく星がこうした放射線源から遠く離れた場所で作り出す種類の分子物質である。

ケルン大学のフロリアン・パイスカー氏が主導したこの検出は、長年にわたって信じられてきた仮定を覆すものだ。超大質量ブラックホールのごく近傍の極限環境は、化学反応のない領域として機能し、穏やかな恒星近傍に存在するような分子過程を許すにはあまりに過酷だという仮定である。IRS 3は、その過程が実際に起きていることを示している。銀河中心近くにある他の進化した星が、どれだけ静かに同じことを行っているのか——その問いに、現在進行中のMICONICサーベイが答えを出そうとしている。

JWSTはいかにして銀河系で最も過酷な領域の化学を読み解いたか

パイスカー氏のチームは、JWSTの中間赤外線装置（MIRI）を用いて、いて座A*を取り巻く最も内側のパーセクを観測した。中間赤外線の波長は、光学望遠鏡では見えないもの——ダストの熱的輝きや、水などの化合物の分子吸収特性——を明らかにする。これまでの機器は、IRS 3を周囲の星々から分離するだけの分解能を欠くか、関連する波長でのMIRIの感度を欠いていた。

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データは、IRS 3のダストに富むエンベロープ内部に、2つの明確なスペクトルシグネチャを示した。酸素に富むケイ酸塩ダスト（ケイ素と酸素の化合物）の指紋と、水蒸気の紛れもない吸収特性である。これらは痕跡レベルの検出ではない。チームは恒星エンベロープの構造について複数のモデルを走らせ、異なる温度プロファイル、ダスト組成、幾何学的配置を比較したが、シグネチャはそのすべてにわたって持続した。この研究は、銀河中心を中間赤外線波長でマッピングするために特別に設計されたJWSTプログラム、MICONICの下で実施された。

18日ごとに地球1個分の物質を放出

IRS 3は、酸素に富む漸近巨星分枝（AGB）星——進化した赤色巨星の一種で、その生涯の最終章にある——である。この段階の星は、中心部のヘリウム燃焼燃料を使い果たし、外層をますます激しい恒星風として放出している。IRS 3は現在、天文学者が「スーパーウインド期」と呼ぶ段階にある。これは、星が外殻を完全に放出して白色矮星に崩縮する直前の、質量放出が最大になる時期である。

質量放出率は、AGB星の基準からしても驚異的だ。この星は、18日ごとに地球1個分に相当する物質を放出している。恒星風速度が毎秒15キロメートルであるため、この物質は星から約1万天文単位（地球から海王星までの距離の約250倍）に及ぶダストのエンベロープを形成している。このエンベロープの最も内側の領域は約1,200ケルビンで、ケイ酸塩粒子が凝縮するのに十分な低温であり、外縁部は約100ケルビンまで冷える。両極端において、この物質は、いて座A*とその近くにある若く高温の星々の密集したクラスターによって維持される放射場にもかかわらず、生き残っているのである。

この星自体は太陽の約6倍の質量を持ち、太陽光度の約6万倍で輝いている。年齢は7,200万年——これは短い寿命であり、燃料を急速に燃焼させた大質量星と一致する。

銀河中心の化学について何が変わるのか

何十年もの間、銀河中心は化学的に発達が阻害された領域として扱われてきた。その論理は単純明快だった。中心ブラックホールとその周辺活動からの強烈な放射が、分子が形成されるよりも速く解離させるというものだ。AGB星におけるダスト形成の研究は、一貫してこれらの天体を銀河核から遠く離れた静かな近傍に置いていた。

MICONICの観測は、その描像が不完全だったことを示唆している。銀河系で最も活動的な地点の1つからわずか0.5光年未満の距離にある星が、その最終生命段階において、AGB星がどこでも行う化学的仕事——ケイ酸塩ダストの凝縮、分子結合への酸素の取り込み、外層大気での水の生成——を依然として行っているのである。IRS 3が銀河中心近くを周回する進化した星々の代表例であり、特異な例外ではなく集団の一員であるならば、銀河核はその内部を周回する進化した恒星集団から複雑な分子の安定した供給を受けている可能性がある。

その影響は銀河系を超えて広がる。超大質量ブラックホールはほとんどの大銀河の中心に位置し、その多くは高密度の恒星集団に囲まれている。JWSTは現在、中間赤外線波長でそれらの環境を探査できる能力を持っている。IRS 3型の化学が他の銀河のブラックホール近傍でも機能しているかどうかは、この望遠鏡が直接答えることができる問いである。

研究が未解決のまま残したもの

IRS 3のエンベロープ内部での検出は確固たるものだが、物質が星を離れた後に何が起こるかを判断するのはより困難である。高密度の恒星風は、星の近くで分子を無傷に保つ局所的な遮蔽を提供するかもしれないが、周囲の放射はごくわずかな追加距離のうちにそれらを破壊する可能性がある。IRS 3からのダストと水が銀河中心環境のより広い範囲に混ざり込むのか、それとも恒星の繭を超えて急速に光解離されるのか——その判断には、放出された物質の運命を時間をかけて監視する必要がある。

赤外線シグネチャを解釈するために使用されたモデルには、固有の不確実性が伴う。銀河中心のAGB星は、太陽近傍の恒星集団についてモデル化されたものとは異なる放射環境に存在する。チームの最適モデルは観測とよく一致しているが、実際のダスト粒径分布とエンベロープの三次元構造は、単一の値に固定されるのではなく、範囲内に制約されたままである。

IRS 3はまた、1つの星にすぎない。結果が一般化できるかどうかは、MICONICサーベイ全体の完了にかかっている。

ブラックホール近傍での水の形成に関する疑問

超大質量ブラックホールの隣で、どうして水が生き残れるのか？ 鍵はIRS 3のエンベロープにある。この星の高密度の外層大気は、最も内側の領域をいて座A*の放射から遮蔽するのに十分な密度の局所的な繭を提供している。分子は、ガスが冷たく高密度な場所で形成され、周囲の物質によって最もエネルギーの高い光子への直接曝露から保護されている。その遮蔽が恒星の直接環境を超えて維持されるかどうかは、未解決の問いである。

0.55光年とは、実際にはどのくらいの距離か？ 地球と太陽の距離の約3万5千倍——人間の尺度では途方もないが、1光年のわずかな割合であり、IRS 3は太陽に最も近い恒星よりもいて座A*に近い位置にある。プロキシマ・ケンタウリは私たちから4.2光年の距離にあるが、IRS 3は銀河系で最も質量の大きい天体から、その約8分の1の距離を周回している。

スーパーウインド期とは何か？ AGB星は老化するにつれて質量放出が増加する。スーパーウインド期はこの過程の最終的な爆発であり、星が生涯の初期よりも数百倍から数千倍高い割合で物質を放出する時期である。スーパーウインドが終わると、星は外層のほとんどを放出し、残骸はコンパクトな白色矮星に崩縮する。

これは、他の銀河のブラックホールの近くにも水が存在し得ることを意味するのか？ この発見は、それを妥当なものにする。このメカニズム——進化した星が自身の分子エンベロープを周囲の放射から遮蔽する——は、銀河系に固有のものではない。同様の化学が他の銀河の超大質量ブラックホールの近くで機能しているかどうかは、今や検証可能な問いであり、JWSTの中間赤外線能力は、それを検証するのに最適な機器である。

パイスカー氏と共同研究者らは、2026年8月に『Astronomy & Astrophysics』誌で研究成果を発表した。MICONICサーベイは今後数ヶ月にわたり銀河中心のマッピングを継続し、内側パーセクにある他の進化した星々や天体を対象とする。IRS 3の化学が孤立したケースなのか、銀河核内部で機能するより広範な過程の最初の確認例なのか——それが、このサーベイが答えを出すように設計された問いである。

参考文献: Peißker et al., “Dust production in the harsh environment of Sgr A* — MIRI/JWST observation of the O-rich asymptotic giant branch star IRS 3,” Astronomy & Astrophysics, 2026. DOI: 10.1051/0004-6361/202660243

タグ: JWST, black holes, Sagittarius A*, galactic center, IRS 3, MICONIC

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