太陽の「兄弟姉妹」を見つけるにはどうすればいいでしょうか?この3つの条件は必須です！

今日は小暑です。まだ一年で最も暑い時期ではありませんが、太陽の「力」が徐々に発揮されてきました。灼熱の太陽は「後羿射日」の神話を思い起こさせます。古代には 10 個の太陽があり、それらはすべて天帝の息子でした。これらが同時に発生したため、高温が猛威を振るい、作物や植物はすべて焼け、人々は苦しみました。堯は弓使いの后羿を遣わして、九つの太陽を撃ち落とし、民を救わせた。

これは単なる伝説ですが、太陽には本当に兄弟姉妹がいるのだろうか、という疑問について考えたことがありますか?答えは「はい」です。そして、太陽はたくさん存在しますが、太陽はずっと昔に兄弟姉妹から離れ、天の川銀河を単独でさまよっています。

図 1. 太陽系の芸術的イメージ (画像提供: ESA–Silicon Worlds)

01太陽の誕生

46億年前、太陽系は数光年に渡る星雲の中で誕生しました。ガスと塵が充満していました。私たちの体内の炭素や呼吸する酸素など、私たちを構成するすべての物質要素もここから来ました。アメリカの天文学者カール・セーガンはこう言いました。「私たちは皆、星の塵でできている。」偶発的な外力または擾乱が星雲の重力不安定性を引き起こしました。多くの塊が崩壊し始め、中心核はゆっくりと周囲のガスを吸収し、徐々に成長しました。数千万年後、ついに中心核で水素の核融合が起こり、星が誕生しました。その中でも、普通でありながら特別な星が私たちの太陽です。この星雲では何千もの星が誕生したと考えられており、それらはすべて太陽の兄弟姉妹です。新しく生まれた巨大な星々は燃えるような光と恒星風を放出し、残りのガスと塵を徐々に吹き飛ばして、星団を残します。

太陽とその兄弟星が誕生した後、他の恒星の引力と天の川銀河の自転により、数百万年を経て星団は緩やかな集まりになりました。数十億年を経て、それらはそれぞれ別の方向に走り、徐々に遠ざかり、天の川全体に散らばり、遠くから互いに向き合うようになりました。したがって、私たちの現在の銀河の位置は太陽が生まれた場所ではなく、私たちの周りの最も近い星は太陽の兄弟姉妹ではありません。では、太陽の故郷はどこでしょうか?兄弟姉妹たちは今どうしていますか？数十億年後、私たちは天の川銀河の何千億もの星の中からそれらを見つけることができるでしょうか?

図 2. ジェイムズ・ウェッブ望遠鏡で撮影されたへびつかい座星雲の一角。星雲の中の明るい点は新しく生まれた星です。 (画像提供: NASA、ESA、CSA、STScI、Klaus Pontoppidan (STScI)、Alyssa Pagan (STScI))、「数百光年離れた宇宙に行って「展示会を見る」? この天体望遠鏡が星の「ゆりかご」の絵を描き出す!」をご覧ください。

02 星の「DNA」 - 元素比

天の川には何千もの星があります。どれが太陽の兄弟姉妹なのか、どうすればわかるのでしょうか?私たち人間にとって、血縁関係を証明する最も信頼できる方法は「DNA」検査です。同じ星雲から生まれた星は、年齢も化学元素の比率も同じです。天文学者は星の元素比率を測定し、それぞれの星に化学ラベルを付けます。このラベルは星の「DNA」（上記と同じ）であり、異なる星間の関係を判定することができます。

天文学者はこの方法を使って、太陽の元素比に非常に近い多くの星を発見しました。 M67星団では、ほとんどの星が太陽と似た元素比を持ち、この星団の年齢は35億年から48億年で、太陽の年齢に近いです。多くの天文学者は、太陽がM67星団から生まれたのではないかと推測しています。初期の頃にこの集団から離脱しました。

化学物質のラベルだけに頼ると、誤判断をする可能性が依然として高くなります。多数の星の元素比を統一的に測定する精度が十分ではないためです。さらに、この方法は 2 つの仮定に基づいています。1 つ目は、星雲内の元素の分布が均一であることです。第二に、それぞれの星雲の元素の比率は独特です。しかし、これら 2 つの仮定は厳密には真実ではありません。

図3、M67星団。 (画像は https://apod.nasa.gov/apod/ap070809.html より、クレジットと著作権: 処理 - Noel Carboni、イメージング - Greg Parker)

03 太陽の兄弟姉妹を見つけるには？

では、M67 銀河団のメンバーが太陽の兄弟姉妹であるかどうかを確認するのに役立つ他の方法はあるのでしょうか? 8 つの惑星が太陽の周りを回っているのと同じように、天の川銀河のすべての星は銀河の中心の周りを回っています。太陽は現在、毎秒約230キロメートルの速度で天の川銀河の中心を回っており、一周するのに推定2億3000万年かかります。太陽は誕生した場所や移動経路に応じて誕生以来20回以上周回しています。私たちは、天の川の中心に対する太陽の動きの速度と方向を知っています。天の川銀河の重力ポテンシャルを考慮すると、過去 20 回の軌道にわたる太陽の移動軌跡をシミュレートできます。もちろん、太陽の軌道に対する他の天体の影響も考慮する必要があるため、このシミュレーション結果にはまだ不確実性が残っています。

もし太陽がM67星団から「逃げ出した」のであれば、その移動軌道は過去数十億年の間のある時点で交差したに違いない。それは太陽がM67を離れた時間と場所です。それまでは、太陽とM67の移動軌道は同じであるはずです。最新のシミュレーション結果によると、M67と1つまたは複数の星雲との衝突など、特定の条件下では太陽は星団から脱出して現在の軌道に到達できるが、そのような衝突イベントはM67星団の崩壊を引き起こす可能性が高いことが示されています。したがって、M67 が太陽の親星団であるかどうかについては、天文学者によるさらなる研究が必要です。

つまり、星が太陽の兄弟であるかどうかを判断するには、次の 3 つの条件が同時に満たされている必要があります。第 1 に、その年齢が太陽と似ていること。第二に、化学元素の割合は太陽のそれと一致しています。そして3つ目に、その軌道は過去数十億年の間にどこかで太陽の軌道と交差した。

04 兄弟姉妹が見つかった

天文学者たちは、星の年齢、化学的特徴、運動学的特徴を組み合わせて、太陽の兄弟である可能性が高い孤立した星をいくつか発見した。最初の星はHD 162826と番号が付けられ、2014年に発見されました。地球から110光年離れています。太陽よりわずかに大きく、直径は太陽の1.3倍です。この星は上記の 3 つの条件をすべて満たしています。

2番目は2018年に発見され、 HD 186302と番号が付けられ、地球から185光年離れていますが、その後のより詳細な運動軌道シミュレーションにより、3番目の条件を満たしていないことが判明しました。 2020年には、 2M19354742+4803549という番号の別の星が発見されました。それは私たちから約1,100光年離れています。太陽よりも小さく、直径は太陽の0.8倍です。しかし、2022年に、より詳細なスペクトル観測データにより、この星の年齢は約3600万歳と非常に若く、太陽の兄弟ではないことが明らかになりました。

太陽の兄弟姉妹である可能性のある他の候補は何百もありますが、現在の結果はまだ非常に不確実であり、確認することも完全に除外することもできません。上記の3つの星は数十万個の星の観測データから選ばれたもので、その後の研究ではそのうち2つが除外されました。天の川銀河にある何千億もの星の中から太陽の兄弟姉妹を見つけるのは、干し草の山から針を探すのと同じくらい難しいことがわかります。

図 4. HD 162826 の位置 (赤い円でマーク)。 （写真提供：Tomruen/Creative Commons）

私たちはどこから来たのでしょうか？サンにとって、この質問にも答えは未だにありません。太陽は私たちにとって最も馴染みのある星であり、最も研究されてきた星ですが、太陽と太陽系全体の起源については未だに多くの未解明の謎が残っています。太陽の兄弟を見つけることは、太陽はどこから来たのかといった謎を解くのに役立ちます。どのようにして今の地位に至ったのですか?初期の太陽系の環境はどのようなものだったのでしょうか?それは太陽系の惑星の形成にどのような影響を与えるのでしょうか?生命の誕生に必要な環境にどのような影響を与えるのでしょうか？

太陽とその兄弟姉妹が再び一緒になることは不可能ですが、いつか彼らを見つけて家族写真を撮ることができればと思います。

参考文献:

1. 太陽の兄弟候補の元素組成 - NASA/ADS (harvard.edu)

2. AMBRE プロジェクト: 太陽に最も近い兄弟の探査 - NASA/ADS (harvard.edu)

3. N 体シミュレーションによる APOGEE と Gaia DR2 での太陽の兄弟の探索 - NASA/ADS (harvard.edu)

4. 2205.01112.pdf (arxiv.org)

著者：ヤン・ジェン、中国科学院上海天文台研究員

制作：中国科学普及協会

制作：中国科学技術出版社、中国科学技術出版社（北京）デジタルメディア株式会社