JWSTが系外銀河で初のメチルラジカル検出、有機分子の生成過程を解明

米航空宇宙局（NASA）などが運用するジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）が、系外銀河（天の川銀河以外の銀河）において初となるメチルラジカル（CH3）（炭素と水素からなる、非常に反応性の高い有機分子）の検出に成功した。対象は地球から遠方に位置する超高輝度赤外線銀河（ULIRG）（太陽の1兆倍以上も明るく赤外線を放つ、活発な星形成銀河）である。今回の発見は、過酷な宇宙環境における複雑な有機分子（炭素を主成分とし、生命の材料となる分子）の形成プロセスを解明する重要な手がかりとなる。これまで天の川銀河内に限定されていた有機化学の研究領域が、一気に全宇宙規模へと拡大した格好だ。

中赤外線観測が捉えた「反応の鍵」

今回の検出には、JWSTに搭載された中赤外線観測装置（MIRI）（特定の波長域の赤外線を捉える望遠鏡の観測機器）が使用された。MIRIは波長5〜28マイクロメートルの赤外線を捉える能力を持ち、宇宙塵の奥に隠された分子の挙動を可視化する。研究チームはULIRGのスペクトル（光を波長ごとに分解し、その成分を示す図やデータ）を詳細に分析した。その結果、波長12.27マイクロメートル付近にメチルラジカル特有の吸収線（特定の波長の光が物質によって吸収され、スペクトル上に現れる暗い線）を確認した。これは先行研究が天の川銀河内の星形成領域で観測した値と一致する。

メチルラジカルは、反応性が極めて高い「ラジカル」（不対電子を持ち、極めて反応性の高い分子や原子）と呼ばれる分子の一種である。宇宙空間ではメタン（CH4）（最も単純な有機化合物の一つ）が強力な紫外線や宇宙線（宇宙空間を飛び交う高エネルギーの粒子）によって分解されることで生成される。この分子は、ベンゼン（C6H6）（代表的な芳香族炭化水素の一種）などの多環芳香族炭化水素（PAH）（複数のベンゼン環が結合した、安定した複雑な有機分子）を形成するための中間体として機能する。これまで系外銀河での検出は、その反応性の高さと寿命の短さから困難とされてきた。今回の成功は、JWSTの感度が従来のスピッツァー宇宙望遠鏡と比較して約100倍向上した成果である。

ULIRGが示す宇宙の化学工場

観測対象となったULIRGは、太陽の1兆倍以上の赤外線光度を持つ銀河である。ここでは年間数百から数千個の太陽質量（太陽の質量を基準とする天体の質量の単位）に相当する星が誕生する。爆発的な星形成（スターバースト）（銀河内で爆発的に多くの星が生まれる現象）に伴い、強力な放射線場（放射線が充満している領域）が形成される。この環境がメタンの光分解（光のエネルギーによって分子が分解される現象）を促進し、大量のメチルラジカルを生成していることが判明した。研究チームの試算によれば、この銀河におけるメチルラジカルの存在量は、銀河系内の一般的な星形成領域の数十倍に達する。

この発見は、生命の基礎となる有機分子が宇宙の初期段階や過酷な環境下でも普遍的に存在することを示唆している。ULIRG内でのメチルラジカル検出は、複雑な炭素化合物の「製造工場」が銀河全体に広がっている証左となる。科学界では、この化学反応経路が地球のような惑星系における生命材料の供給源となった可能性について議論が加速している。

日本企業への示唆と精密光学技術の需要

今回の成果は、日本の宇宙産業および精密機器メーカーにとっても重要な商機を示唆している。JWSTのような次世代望遠鏡には、極低温下で動作する超高精度な分光素子（光をスペクトルに分解する光学部品）や赤外線センサーが不可欠である。日本には、浜松ホトニクスや島津製作所など、世界屈指の光学技術を持つ企業が集積している。今後、日本が主導する赤外線観測衛星「GREX-PLUS」計画などにおいて、これらの企業の技術が国際共同開発の鍵を握ることになる。

また、化学プラント設計や材料開発を手掛ける日本の化学メーカーにとっても、宇宙空間でのラジカル反応制御は新領域の知見となる。地上では困難な極限状態での分子合成シミュレーションは、次世代の機能性材料開発に応用できる可能性がある。宇宙探査から得られる「究極の化学反応データ」を産業界が活用する動きは、今後さらに強まるだろう。民間企業による宇宙環境利用の加速が期待される。

広がる観測対象と残された課題

今後の課題は、メチルラジカルからベンゼン、さらにはアミノ酸へとつながる化学進化の全容解明である。今回の観測では中間体の存在は確認されたが、それらがどのように重合（分子が繰り返し結合して、より大きな分子になること）し、最終的に惑星系へ取り込まれるかのプロセスは未解明な部分が多い。JWSTは今後、より多くのULIRGや原始惑星系円盤（若い星の周りにあり、惑星が形成されるガスや塵の円盤）を対象に調査を継続する方針だ。

また、観測データの解析アルゴリズム（データを分析するための計算手順や規則）の高度化も急務である。膨大なスペクトルデータから微弱な分子サインを抽出するには、機械学習（コンピューターがデータから自動的に学習し、予測や判断を行う技術）を活用したノイズ除去技術が求められる。富士通やNECといった日本のIT大手が持つデータ解析技術は、宇宙科学の進展を加速させる重要なピースとなるだろう。系外銀河の有機化学解明は、人類が宇宙における自らのルーツを理解するための大きな一歩となる。

出典

- ScienceDaily: Webb telescope detects methyl radical in extragalactic galaxy for the first time