恒星間彗星：宇宙が使者を送るとき

恒星間彗星：ただ一度の通過のために費やされる何十億年もの放浪

元の系から放出された放浪の天体

恒星間彗星は放浪する天体であり、どの恒星の周りも公転しない銀河の放浪者である。惑星形成の際に元の系から放出され、恒星間空間を自由に漂流し、天の川銀河の集団的重力のみに従う。閉じた楕円軌道で太陽の周りを動く、いわゆる「局地的な」彗星とは異なり、それらは双曲線軌道 （離心率が厳密に1より大きい開いた曲線で、太陽の周りの閉じた軌道を許さない）（離心率1以上）に従う。

戻ることのない双曲線軌道

こうした天体は我々の恒星近傍を一度だけ、純粋に軌道の偶然によって横切り、太陽重力に捕獲されることなく、さらに数億年にわたって銀河の奥深くへと去っていく。

注：
恒星系が生まれるとき、形成中の惑星の重力摂動は、何十億もの小天体を恒星間空間へと放出する。 我々の太陽自身も、こうした破片のかなりの量を放出してきた。 これらの破片は今日、元の系の化学的な刻印（鉱物、氷、有機分子）を運びながら、「宇宙の海に浮かぶ瓶詰めの手紙」のように銀河の中を放浪している。

オウムアムアの発見：歴史的な最初の出来事

Pan-STARRS1による偶然の検出

2017年10月19日、ハワイのPan-STARRS1望遠鏡で観測を行っていた天文学者ロバート・ワリク（1982年生まれ）が、太陽重力だけでは説明できない、異常に高速で移動する天体を検出した。この天体は1I/オウムアムア （最初に確認された恒星間天体。ハワイ語の名前はほぼ「遠くから最初にやってきた使者」を意味する）という符号を受けた。ハワイ語でほぼ「遠くからの斥候」を意味する言葉である。我々の太陽系でこれまでに検出された初めての確認済み恒星間天体であった。

この天体は近日点通過後、すでに太陽から急速に離れつつあるときに検出された。 天文学者たちは、天体が暗くなりすぎる前に観測できるのがわずか数週間しかなかった。 表面やガス放出中の分子を特定できたはずの分光観測の試みは、十分な信号が得られず、大部分が不成功に終わった。

説明できない非重力加速

その不可解な振る舞いは、直ちに激しい科学的論争を引き起こした。その形状は極端に細長く見え、激しい自転を示唆する周期的な明るさの変化が見られた。さらに驚くべきことに、その加速は重力予測と完全には一致せず、非重力的な推力の超過が測定された。

ボリソフ：恒星間彗星の最初の確認

クリミアからのアマチュアによる発見

2019年8月30日、ウクライナのアマチュア天文学者ゲンナジー・ボリソフ（1966年生まれ）が、クリミアの彼の天文台から、明らかに彗星の外観を持つ天体を発見した。まもなくその双曲線軌道が計算された。離心率3.356は、その恒星間起源について疑いの余地を残さなかった。この彗星は公式の符号2I/ボリソフを受け、2番目に確認された恒星間天体であり、曖昧さなく古典的な彗星活動を示した最初の天体となった。

物語る化学組成

オウムアムアとは異なり、2I/ボリソフはずっと身近な存在であることがわかった。地上および宇宙からの分光分析により、一酸化炭素（CO）、水（H₂O）、シアン（CN）の存在が明らかになった。これらは我々の太陽系の彗星でよく見られる化合物である。2020年に雑誌Nature Astronomyに掲載された、ピオトル・グジクとビン・ヤンのチームによる研究は、この彗星が特に高いCOの割合を示し、太陽系彗星の平均をはるかに上回ることを明らかにした。これは、元の恒星から遠く離れた低温環境での形成を示唆している。

人類は初めて、他の恒星系で形成された天体の化学組成を直接分析することができ、銀河スケールの惑星形成過程に対する観測的制約を得た。

複数の基準によって恒星間天体を特定できる

軌道的・力学的な4つの基準

恒星間天体の特定は、複数の互いに補完し合う物理的・軌道的基準に基づく。

• 軌道離心率が1より大きい：軌道は開いており、双曲線であり、その天体は太陽に重力的に束縛され得ない。
• 通過後の残存速度：太陽に束縛された天体は離れるにつれて徐々に減速し、停止して引き返す。 一方、恒星間天体は非常に遠い距離でも正の速度を保つ。決して止まらない。 オウムアムアのこの残存速度は約26 km/s、2I/ボリソフでは約32 km/sであった。
• 正の軌道エネルギー（\(\varepsilon >0\)）：このエネルギーは、天体が持つもの（運動エネルギー \(\frac{v^2}{2}\)）と、太陽から逃れるために太陽が課す「コスト」（ポテンシャルエネルギー \(\frac{GM_\odot}{r}\)）の均衡を測るものである。 収支が負ならば、天体は太陽の囚人である。 正ならば、天体は自由である。すべての恒星間彗星がまさにその状態にある。
• 矛盾のない飛来方向：軌道をさかのぼると、天体の放射点は恒星間空間を指し示さなければならず、オールトの雲やカイパーベルトのような、太陽系の既知の彗星の貯蔵庫とは無関係でなければならない。

確認された天体の要約表

次の表は、これまでに確認された2つの恒星間天体と、その主な軌道的・物理的特性をまとめたものである。

恒星間彗星が教えてくれる銀河のこと

太陽系外物質の自然なサンプル

科学的な好奇心を超えて、恒星間彗星は太陽系外物質の自然なサンプルである。その化学組成は、元の恒星の原始惑星円盤で支配していた物理的・化学的条件、すなわち温度、同位体比、分子の存在度を反映している。それぞれの恒星間天体は、いわば未知の恒星環境の化学的刻印である。

汎種説と銀河的化学交換

化学的な物質がこうした天体を通じて恒星系から恒星系へと循環するという考えは、汎種説（パンスペルミア） （微生物やその化学的前駆体が、隕石や彗星などの天体によって恒星系間を運ばれる可能性があるとする仮説）の概念と密接に関わっている。複雑な有機分子、さらには前生物学的化合物が恒星間の旅に耐えられるならば、恒星系間の化学交換の可能性は排除できない。

より根本的には、こうした天体の検出と研究は、我々の太陽系が銀河の中で孤立していないことを裏付けている。太陽系は他の場所からやってくる物質の絶え間ない流れ、何十億年というスケールで天の川銀河の恒星系の間に一種の共通の化学的織物を織り上げていく惑星破片の恒久的な交換の中に浸っている。