45億年前に太陽が誕生したとき、ほぼ確実に連星の一つだった――しかし、これは宇宙にある太陽に似たほかの恒星すべてにも当てはまる。
多くの恒星には伴星がある。最も近い隣人である三重星系のアルファ・ケンタウリもその一つだ。天文学者たちは長年、その理由を探ってきた。連星や三重星系は、生まれたときからその形なのだろうか。ある恒星が別の恒星を捕獲したのだろうか。連星が分裂して単独の恒星になることもあるのだろうか。
天文学者たちは、太陽の伴星も探してきた。「ネメシス」と名付けられたその恒星は、小惑星を地球の軌道に押し込み、地球に衝突させて恐竜を絶滅させたと考えられていた。しかし、これまで見つかっていない。
新たな理論は、ペルセウス座にある、形成されたばかりの恒星で満たされた巨大分子雲の電波観測と、太陽に似た恒星がすべて伴星を伴って生まれる場合にのみペルセウス座の観測結果を説明できる数学モデルに基づいている。
「そう、はるか昔にはおそらくネメシスが存在した、と私たちは考えています」と、共著者でカリフォルニア大学バークレー校の研究天文学者、スティーブン・スタラーは述べる。
「ペルセウス座分子雲にある、年齢の若い単独星と、間隔がさまざまな連星の相対的な数を説明できるかどうか、一連の統計モデルを検討しました。観測データを再現できたのは、すべての恒星がまず間隔の広い連星として形成されるモデルだけでした。こうした系はその後、100万年以内に軌道が縮まるか、分裂します。」
新たな研究は、次の学術誌への掲載が受理されている。王立天文学会月報、この研究で「間隔が広い」とは、2つの恒星が500天文単位（AU）を超えて離れていることを意味する。1天文単位は太陽と地球の平均距離（9,300万マイル）だ。太陽に広い軌道で伴う恒星がいたとすれば、現在太陽から最も遠い惑星である海王星の17倍の距離にあったことになる。
このモデルによれば、太陽のきょうだい星はおそらく離れていき、天の川銀河のこの領域にあるほかの恒星に混じり、二度と姿を現さなかった。
「多くの恒星が伴星とともに形成されるという考えは以前から提案されていましたが、問題はその数です」と、筆頭著者でスミソニアン天体物理観測所のNASAハッブル・フェロー、サラ・サダヴォイは述べる。「私たちの単純なモデルに基づくと、ほぼすべての恒星が伴星とともに形成されます。ペルセウス座の雲は、典型的な低質量星形成領域と一般に考えられていますが、ほかの雲でもモデルを検証する必要があります。」
星々の群れ
すべての恒星が群れをなして生まれるという考えは、星形成にとどまらず、銀河そのものの起源にも影響を及ぼすとスタラーは語る。
天文学者たちは何百年にもわたり、連星や多重星系の起源について考察してきた。近年は、重力によってガスの塊がどのように凝縮して恒星になるのかを理解するため、崩壊するガスの塊をコンピューターでシミュレーションしている。また、ガス雲から解放されたばかりの多数の若い恒星の相互作用もシミュレーションしてきた。数年前、ボン大学のパベル・クルーパが行ったその種のシミュレーションの一つから、すべての恒星は連星として生まれるという結論に至った。
それでも、観測による直接的な証拠は乏しかった。天文学者たちは、より若い恒星を観測するほど連星の割合が高いことを見いだしているが、その理由は依然として謎だ。
「ここで重要なのは、実際の若い恒星と、それを生み出す雲との関係を体系的に調べた人がこれまでいなかったことです」とスタラーは述べる。「私たちの研究は、連星がどのように形成されるか、また恒星の初期進化において連星がどのような役割を果たすか、その両方の理解を前進させます。太陽によく似た恒星の大半は連星として形成されると、今では考えています。これは、そうした主張を裏付けるこれまでで最も強い証拠だと思います。」
恒星は「高密度コア」と呼ばれる卵形の繭の中で生まれることを、天文学者たちは数十年前から知っている。高密度コアは、若い恒星のゆりかごとなる、冷たい分子状水素から成る巨大な雲の中に点在している。光学望遠鏡で見ると、これらの雲は星空に空いた穴のように見える。ガスに伴う塵が、雲の内部で形成中の恒星と、その背後にある恒星の光を遮るためだ。しかし、雲の中の冷たい塵の粒子はこうした波長の電波を放ち、電波は塵に遮られないため、電波望遠鏡で雲を調べることができる。
ペルセウス座分子雲は、地球から約600光年の距離にあり、長さは約50光年に及ぶ恒星のゆりかごの一つだ。昨年、天文学者のチームが、ニューメキシコ州にある電波アンテナ群「超大型干渉電波望遠鏡群」を使い、この雲の内部の星形成を調べる観測を完了した。VANDAMと名付けられたこの調査は、分子雲にあるすべての若い恒星、すなわち年齢が約400万年未満の恒星を対象にした初の完全調査だった。単独星と多重星の両方を含み、間隔約15天文単位までを捉えた。これにより、太陽系で天王星の軌道半径（19 AU）を超えるほど離れた多重星をすべて観測できた。
スタラーは、VANDAMチームの一員であるサダヴォイに協力を求め、高密度コアの内部にある若い恒星の観測を手伝ってほしいと依頼した後、この調査について知った。VANDAM調査では、年齢が約50万年未満のクラス0恒星と、約50万年から100万年のクラスI恒星をすべて網羅した一覧が作成された。どちらの種類の恒星も非常に若く、まだ水素を燃焼させてエネルギーを生み出していない。
サダヴォイはVANDAMの結果に、若い恒星を取り巻く卵形の繭を明らかにする追加観測を組み合わせた。この追加観測は、ハワイのジェームズ・クラーク・マクスウェル望遠鏡に搭載されたSCUBA-2によるゴールドベルト調査のものだ。この2つのデータセットを組み合わせることで、サダヴォイはペルセウス座にある連星と単独星の集団を堅牢に把握できた。多重星系24組に属する若い恒星55個が見つかり、そのうち5個を除くすべてが連星だったほか、単独星系が45組見つかった。
これらのデータを用いて、サダヴォイとスタラーは、恒星間の距離が500 AUを超える、間隔の広い連星系がすべて非常に若く、2つのクラス0恒星を含んでいることを発見した。こうした系は、卵形の高密度コアの長軸に沿って並ぶ傾向もあった。少し年齢の高いクラスIの連星は互いに近く、多くは約200 AUの間隔で、卵の軸に沿って並ぶ傾向は見られなかった。
「偶然ではない」
「これはこれまで観測も検証もされておらず、とても興味深いです」とサダヴォイは述べる。「その意味はまだよく分かっていませんが、偶然ではなく、間隔の広い連星が形成される仕組みについて何かを示しているはずです。」
研究者たちは、恒星の形成、分裂、軌道の縮小にかかる時間を一般的な値と仮定し、恒星の分布を説明するさまざまなシナリオを数学的にモデル化した。その結果、観測を説明するには、太陽と同程度の質量を持つすべての恒星が、卵形の高密度コアの中で間隔の広いクラス0連星として始まり、その後、約60％が時間とともに分裂すると仮定するしかないと結論づけた。残りは軌道が縮まり、近接連星を形成する。
「卵が収縮すると、最も密度の高い部分は中央に向かい、中央軸に沿って密度の高い領域が2つできます。ある時点で、こうした高密度の中心部は自己重力によってそれぞれ崩壊し、クラス0恒星を形成します。」
「私たちの描く像では、低質量の太陽型単独星は原始的な存在ではありません」とスタラーは述べる。「連星が分裂した結果です。」
彼らの理論によれば、通常は太陽質量数個分の質量を持つ各高密度コアは、従来考えられていた量の2倍の物質を恒星に変換する。
スタラーは20年以上にわたり、連星形成の理論を検証するため、高密度コアとその内部にある若い恒星を比較するよう電波天文学者に求めてきた。新たなデータとモデルは出発点だが、規則の背景にある物理を理解するには、さらなる研究が必要だ。
こうした研究は間もなく実現するかもしれないとサダヴォイは語る。性能が向上したVLAとチリのALMA望遠鏡、さらにハワイのSCUBA-2調査によって、「必要なデータと統計がようやく得られるようになってきたからです。これにより、高密度コアとその内部にある恒星についての理解が変わるでしょう。」
