天の川の中心は「生命の材料」の化学工場だった!? 電波が透かし見た宇宙の化学

私たちの住む天の川銀河。その中心部には、これまで考えられていたよりもはるかに複雑で、活発な化学反応が起きている場所が広がっていた。国際的な研究チームが、南米チリにある巨大な電波望遠鏡を使ってこの領域を詳しく観測したところ、メタノールやホルムアルデヒドといった、さまざまな有機分子の存在が明らかになったのだ。しかも、その中には生命に必要な物質のもとになる分子まで含まれていた。銀河の心臓部で、いったい何が起きているのか。目に見えない宇宙の化学の世界を、ひもといていこう。

見えない銀河の中心を「電波」で透視する

まず、天の川銀河の中心がどんな場所かを知っておこう。そこは、地球からおよそ2万6000光年もかなたにある。光の速さで進んでも、届くのに2万6000年かかる遠さだ。だが、遠いことよりも観測を難しくしているのは、別の理由だ。私たちと銀河中心のあいだには、厚さ数千光年にもおよぶガスとチリの層が横たわっているのである。

このガスとチリが壁となって、ふつうの光学望遠鏡では、銀河の中心を直接見ることができない。まるで、濃い霧の向こう側を見ようとするようなものだ。可視光は、チリの細かい粒にさえぎられて、そこで散らばったり吸い取られたりしてしまう。天の川の中心方向は、宇宙でもとりわけ見通しの悪い場所なのだ。どれほど見通しが悪いかというと、可視光は中心にたどり着くまでに、その明るさが途方もなく弱められてしまう。夜空を見上げても、私たちには天の川の中心そのものを肉眼で見ることはできない。あいだにある分厚いチリのカーテンが、そこから来る光をほとんど遮ってしまっているからだ。

ところが、電波を使えば話は別だ。電波は、私たちが目で見る光(可視光)よりも、はるかに波長が長い。波長が長いぶん、チリの細かい粒をすり抜けて、まっすぐ地球まで届く。ちょうど、レントゲンやCTスキャンが、目には不透明な体の中を透かして見せてくれるのと同じだ。電波望遠鏡は、いわば「チリの壁を透視して、その奥に潜むガスの声を聞く」装置なのである。この電波の力があってこそ、閉ざされた銀河中心の秘密に迫ることができた。

分子の「指紋」を読む — 天文化学という世界

では、電波でどうやって「どんな分子があるか」まで分かるのだろう。カギは、分子が出す電波が、種類ごとに違うという性質にある。

宇宙空間に漂う分子は、それぞれがくるくると回転していて、その回転にともなって、特定の周波数の電波を出す。この周波数は、分子の種類によってきっちり決まっている。まるで、一つ一つの分子が、固有の「指紋」を持っているようなものだ。だから、電波望遠鏡でこの周波数を精密に測れば、「今、どの種類の分子が、どこに、どれだけあるか」を、直接見に行かなくても言い当てることができる。

この、宇宙の分子を電波で調べる学問を「天文化学」という。じつは宇宙空間では、これまでに300種類を超える複雑な有機分子が見つかっている。何もない真空のように思える宇宙が、じつは想像以上に豊かな化学の舞台なのだ。今回の観測でも、この「分子の指紋」を読み取ることで、メタノールやホルムアルデヒド、一酸化炭素といった、さまざまな分子の存在が確かめられた。銀河の中心は、多彩な分子が飛び交う、にぎやかな化学の世界だったのである。

この「指紋」がなぜ生まれるのかも、少し不思議で面白い。分子は、その形や重さによって、回転しやすさが一つ一つ違う。重い分子はゆっくり、軽い分子は速く回る、といった具合だ。この回転のしかたの違いが、放たれる電波の周波数の違いとなって現れる。だから、遠く離れた宇宙の分子であっても、その電波の周波数さえ測れば、地球にいながらにして種類を言い当てられる。宇宙の化学を、直接手に取ることなく解き明かせる——これが電波天文学の、静かで確かな強みなのだ。

主役はチリの巨大電波望遠鏡「アルマ」

この繊細な観測をやってのけたのが、南米チリの標高5000メートルの高地にある、巨大な電波望遠鏡アルマ(ALMA)だ。数十台ものパラボラアンテナが連携して、一つの巨大な望遠鏡のように働くこの装置は、電波でごく細かな構造まで見分けられる、世界屈指の観測装置である。

なぜ、たくさんのアンテナを並べるのか。じつは、電波望遠鏡は、アンテナ同士の間隔が広いほど、より細かいものを見分けられるようになる。ばらばらに置いた数十台のアンテナが受け取った電波を、コンピューターで一つに合成することで、まるで数キロメートルもの大きさを持つ、巨大な一枚の望遠鏡のように働くのだ。この仕組みのおかげで、アルマは遠い銀河中心の、こまやかな分子の分布まで描き出すことができる。

今回の成果は、このアルマを使った大規模な観測プロジェクトによるものだ。研究チームは、銀河中心の広大な領域を、およそ150時間もかけてくまなく観測し、そこにどんな分子がどう分布しているのかを、精密な地図として描き出した。この「銀河中心の化学地図」が、これまで見えなかった中心部の姿を、あざやかに浮かび上がらせたのだ。

ちなみに、この分野ではしばしば「SKA(スクエア・キロメートル・アレイ)」という、さらに巨大な電波望遠鏡の名前も語られる。だが、SKAは南アフリカとオーストラリアでいままさに建設中で、本格的な観測はこれからだ。今回の銀河中心の化学物質の発見は、あくまで完成して活躍しているアルマの成果である。未来の巨大望遠鏡SKAが動き出せば、宇宙の化学の解明は、さらに大きく前進すると期待されている。

銀河の中心にある「化学工場」中心分子帯

アルマが覗き込んだのは、銀河中心の特別な領域だ。天の川銀河の中心には、いて座A*(エースター)と呼ばれる超大質量ブラックホールがある。その質量は、なんと太陽の約430万倍にもなる。

このブラックホールの周りに広がっているのが、中心分子帯(CMZ)と呼ばれる領域だ。ここは、ただものではない。じつは、天の川銀河全体にある高密度の分子ガスの、およそ8割が、この狭い中心領域に集中しているのだ。銀河の他の場所とは、まるで環境が違う。ガスの密度は桁違いに高く、温度も高めで、乱流と呼ばれる激しいガスの流れが渦巻いている。

まさに、宇宙の「化学工場」と呼ぶにふさわしい場所だ。物質がぎっしり詰まり、エネルギーに満ち、絶えずかき混ぜられている。こうした極限の環境でこそ、地球の穏やかな実験室では起こりにくい、独特の化学反応が進む。ブラックホールという怪物のすぐそばで、豊かな分子が生まれ、飛び交っている——中心分子帯は、宇宙の化学のもっともダイナミックな現場なのである。

この領域にあるガスの総量は、太陽の数千万個分にも相当すると見積もられている。それほど膨大な物質が、銀河の中心のごく狭い範囲に押し込められているのだ。しかも、そこは新しい星が次々と生まれる、星のゆりかごでもある。物質とエネルギーが凝縮されたこの一角は、銀河という壮大な系の、まさに心臓部として鼓動し続けている。

なぜ分子が作られるのか — 塵の「氷」と解凍

では、そもそも宇宙空間で、どうやってこんな複雑な分子が作られるのだろう。その舞台は、意外にも、宇宙を漂う小さなチリの粒の表面だ。

冷え切った宇宙のガス雲の中では、チリの粒の表面に、水や一酸化炭素といった物質が凍りついて、氷の膜(氷マントル)を作っている。この氷の上で、原子や分子がゆっくりと動き回り、少しずつ反応していく。たとえば、一酸化炭素に水素が次々とくっついていくと、ホルムアルデヒドになり、さらにメタノールへと姿を変える。宇宙のチリの粒は、いわば分子を組み立てる小さな作業台なのだ。この作業台の上では、私たちが実験室で薬品を混ぜて化合物を作るのとは違い、極端に冷たく、ゆっくりとした反応が、気の遠くなる時間をかけて進んでいく。何万年、何十万年という時間のなかで、単純な原子や分子が、少しずつ組み合わさって複雑な有機分子へと育っていく。宇宙は、途方もない忍耐強さで、化学を営んでいるのである。

ところが、こうしてできた分子は、氷の中に閉じ込められているあいだは、電波では見えにくい。ここで登場するのが衝撃波だ。何らかの原因で強い衝撃波がこのガス雲を通過すると、氷が一気に温められて蒸発し、閉じ込められていた分子が、ぶわっとガスの中に解き放たれる。冷凍庫の氷を、熱でいっきに溶かすようなものだ。こうして自由になった分子が、あの「指紋」の電波を放ち、私たちの望遠鏡にとらえられる。氷の中で作られ、衝撃波で解き放たれる——それが、銀河中心で分子が見つかる仕組みだったのだ。

衝撃波はどこから来るのか

では、氷を解かす衝撃波は、いったいどこからやってくるのか。銀河中心は、そうした衝撃波を生み出す激しい出来事が絶えない場所だ。主な原因として、いくつかが考えられている。

一つは、巨大なガス雲どうしの衝突だ。中心分子帯には、たくさんのガス雲がひしめき合い、激しく流れている。それらが正面からぶつかれば、そこに強い衝撃波が生まれる。もう一つが、超新星爆発の名残だ。太陽よりずっと重い星が寿命を迎えると、超新星爆発という壮絶な最期をとげ、その爆風は衝撃波となって、周囲のガス雲へと広がっていく。

この衝撃波がガス雲にぶつかると、ガスは急激に圧縮され、温度が跳ね上がる。すると、化学反応が一気に加速するのだ。ちょうど、圧力鍋の中で、料理が短時間でぐつぐつ煮えるようなものである。実際、こうした衝撃波が通ったあとの領域では、メタノールのような分子が急に増えることが、化学の理論計算でも確かめられている。銀河中心の分子の豊かさは、こうした激しい現象が、休みなく化学反応をかき立てているからこそなのだ。

ここで一つ、誤解を正しておきたい。こうした衝撃波の原因を「新星爆発」と説明されることがあるが、これは正確ではない。新星と超新星は、名前は似ていてもまったく別の現象だ。銀河中心の化学をかき立てているのは、主にガス雲どうしの衝突や、超新星爆発の名残とされている。似た言葉を取り違えると、宇宙で起きていることの理解までずれてしまう。正しい仕組みを知ることが、この壮大な化学工場を理解する第一歩になる。

ここは「生命の材料」を作る工場だった

そして、この観測でもっとも心を打つのは、見つかった分子の中に、生命に必要な物質のもとが含まれていたことだ。とりわけ注目されるのが、ホルムアルデヒドという分子である。

ホルムアルデヒドは、とても単純な分子だ。だが、この分子がいくつも結びつくと、リボースのような「糖」を作り出す反応を進めることができる。糖は、私たちの体を動かすエネルギー源であり、遺伝情報を運ぶDNAやRNAの骨組みにもなる、生命に欠かせない物質だ。さらにこの分子は、いくつかの段階を経て、もっとも単純なアミノ酸であるグリシンを作る道筋にもつながっている。アミノ酸は、生き物の体を作るタンパク質の部品である。

つまり、銀河の中心という想像を絶する極限環境で、生命につながる分子の「もと」が、せっせと作られているのだ。実際、地球に落ちてきた隕石の中から、複数のアミノ酸が見つかった例もある。宇宙で作られた有機物が、彗星や隕石に運ばれ、はるか昔の地球にもたらされた——そして、それが生命の始まりに関わったのかもしれない。ただし、これはあくまで「生命の材料」が宇宙で作られ運ばれた可能性の話であって、生命そのものが宇宙から来たという話とは、きちんと区別しておく必要がある。それでも、私たちの体を作る分子の遠い故郷が、銀河の中心にあるかもしれない——そう考えると、頭上に広がる星空が、少し違って見えてこないだろうか。

いて座A* — 宇宙の「化学の実験室」

最後に、この化学工場の中心に鎮座する怪物、いて座A*にも目を向けておこう。この超大質量ブラックホールは、2022年に、その姿が世界で初めて画像でとらえられた天体でもある。

複数の電波望遠鏡を地球規模で連携させた国際プロジェクト(イベント・ホライズン・テレスコープ)が、いて座A*の「影」を撮影することに成功したのだ。そのすぐそばでは、ガスが猛烈な速さでブラックホールの周りを回っている。あまりにコンパクトなため、周回にかかる時間はわずか数分ほどだという。強烈な重力、激しい磁場、飛び交う放射線——その周辺は、まさに極限の環境だ。

この過酷な環境こそが、地球の実験室では再現できない、独特の化学反応を生む舞台になっている。天文化学者たちは、ここを「宇宙の化学の実験室」と呼ぶ。私たちの目には決して見えない銀河の中心で、ブラックホールという怪物に見守られながら、生命につながる分子が静かに生み出されている。アルマの観測は、その驚くべき現場を、電波というまなざしで初めて描き出したのだ。宇宙は、私たちが思うよりずっと、化学に満ちている。これからの観測が、その豊かな世界を、さらに解き明かしていくにちがいない。