この記事には広告（Amazon アソシエイトのリンク）を含みます。
水素の原子核3つが正三角形に並んだ分子イオン H3+（三水素陽イオン）は、宇宙の化学の話に必ず出てくる分子だ。形がきれいな正三角形なので、くるくる回っても回転の光を出さない。ところが1986年、ほんのわずかなら出るはずだと計算した論文が発表された。それから40年、実験室でも宇宙でも見つからなかったその光を、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）がとらえた。見つかった場所は、生まれたての星のすぐそばではなく、星から離れた衝撃波の中だった。
報告したのは、ジョンズ・ホプキンズ大学の David A. Neufeld さんらの4人。論文は2026年11月6日に研究論文の公開サーバー arXiv に載ったプレプリント（学術誌に載る前の版）で、著者の注記では学術誌 The Astrophysical Journal Letters への掲載が決まっている。誌面に載るまでに、細かい数値が変わる可能性はある。
宇宙の化学の出発点になる分子
星と星のあいだに漂うガスの雲は、ほとんどが水素分子（H2）でできている。そこに宇宙線（宇宙を飛び交う高エネルギーの粒子）が飛び込むと、水素分子から電子がはじき出される。電子を失った水素分子がまわりの水素分子とぶつかると、H3+ ができる。
H3+ は、陽子（水素の原子核）を1個、ほかの原子や分子に手渡しやすい。陽子をもらった相手は反応しやすくなり、そこから次々に別の分子が組み上がっていく。星間の雲でつくられる分子の多くは、この受け渡しから化学反応が始まる。論文は H3+ を、星間のイオンと分子の化学の「要（かなめ）」と呼んでいる。
H3+ そのものは、これまでにも宇宙で見つかっている。ただし、とらえられてきたのは原子核どうしの間隔が伸び縮みする振動に伴う、近赤外線の光だった。1989年には木星の上層大気から出る光として、1996年には遠い星の光が星間の雲を通るときに吸収される形で見つかった。この1996年の観測にかかわったのが、シカゴ大学の Takeshi Oka さんだ。H3+ の量からは、星間の雲にどれくらい宇宙線が降り注いでいるかを見積もれるので、その後の研究で重宝されてきた。
正三角形の分子が「回っても光らない」わけ
分子が回転するときに光を出すには、分子の中で電気のかたよりがあることが必要になる。たとえば水の分子は「く」の字に曲がっていて、酸素の側がマイナス、水素の側がプラスにかたよっている。こういう分子が回ると、かたよりの向きがくるくる変わり、そのリズムに合った光（電波や遠赤外線）を出す。
H3+ は3つの原子核がまったく同じ距離で並んだ正三角形で、プラスの電気が全体に均等に散らばっている。かたよりがないので、回っても光を出す手がかりがない。物理の言葉では、純粋な回転だけの光の出入り（回転スペクトル）が「許されていない」状態だ。
1986年、シカゴ大学の Fu-Shih Pan さんと Takeshi Oka さんは、この「許されていない」に抜け道があると計算で示した。H3+ はとても軽く、すばやく回る。速く回ると遠心力で正三角形がわずかにゆがみ、そのゆがみが小さな電気のかたよりを生む。その結果、回転に伴うかすかな光が、中間赤外線の波長に何本も出るはずだという。本来は出ないはずの光なので「禁制線」と呼ばれる。
かすかとはいっても、H3+ のゆがみは軽い分子にしては大きい。今回見つかった線の出やすさは、同じ波長帯で光る水素分子の線より5〜8桁も大きいと論文は計算している。Pan さんと Oka さんも論文の中で、この光が星間の H3+ を見つける別の道になると書いていた。
40年、どこでも見つからなかった
それでも、この光は長いあいだ見つからなかった。実験室で測った例もなく、木星のオーロラで探した観測も空振りに終わった。2025年には別の研究グループが、いちばん強いはずの波長16.325マイクロメートルの線なら JWST で見えるかもしれないと予測し、オリオン大星雲の中の若い星を囲む円盤で探したが、上限値しか得られなかった。
今回の観測は、もともと H3+ を探すためのものではなかった。対象はケフェウス座の星形成領域にある HH 168。生まれたばかりの星が噴き出すガスの流れが、周りのガスにぶつかってできた衝撃波の集まりで、ハービッグ・ハロー天体と呼ばれる種類の天体だ。地球からの距離は約700パーセク（約2,300光年）。JWST の観測計画の名前は「ケフェウス座A西の衝撃波の厚さを測る」で、目的は衝撃波そのものの構造を調べることだった。
上の画像は想像図で、実際の観測データの図は出典に挙げた arXiv の論文で見られる。
観測は2026年8月1日。JWST の中間赤外線観測装置 MIRI の分光器で、衝撃波の2か所を波長4.9〜27.9マイクロメートルにわたって調べた。チームが H3+ の禁制線になりうる96本の波長を1本ずつ当たっていくと、ほかの分子の線と重ならない26本が、はっきりした信号として出ていた。いちばん強い16.325マイクロメートルの線は、雑音のばらつきの72倍という強さで見えていた。
見つかったのは、星から離れた衝撃波の中
ここで効いてきたのが、HH 168 の場所だ。生まれたての星のすぐそばでは、星の赤外線に照らされた水や二酸化炭素などの分子が無数の線を出し、中間赤外線のスペクトルは線で埋めつくされる。H3+ のかすかな線は、その中に埋もれてしまう。HH 168 は星から離れていて、スペクトルに見えるのはほとんどが水素分子と原子の線だけだった。かすかな線を拾うには、静かな場所がよかった。
本物かどうかの確かめも念入りだ。26本の線はどれも、衝撃波で熱せられた水素分子と同じ速さで動いていた。空の上での分布を地図にすると、H3+ の光は熱い水素分子の光とほぼ重なり、電子をはぎ取られた原子（イオン）の光とは重ならなかった。H3+ は、衝撃波で熱くなった分子のガスの中にいる。
そして、場所の条件さえ合えば見えると分かると、話は HH 168 だけで終わらなかった。チームが別のハービッグ・ハロー天体 HH 211 の過去の MIRI のデータを調べると、16.325マイクロメートルの線がやはり写っていた。こちらの観測は、波長帯ごとに200秒ほどしかかけていない短いものだ。HH 211 のガスの流れを噴き出しているのは、質量の小さい、生まれて間もない星だ。さらにもう1か所、別の若い星の衝撃波でも見つかっていて、こちらは別の論文で報告される予定だとしている。40年見つからなかった光は、見る場所を選べば、すでに公開されているデータの中にもあった。
衝撃波の中で何が起きているか
見つけて終わりではない。線の強さの比から、H3+ がどんな状態にあるかも読み取れる。線の比だけから出した温度は約730ケルビンだったが、線ごとの強さの並びはひとつの温度ではうまく説明できなかった。チームは、2,000ケルビンを超える熱いガスの中で、H3+ がぶつかり合いで温められきらずにいる状態だと解釈している。
衝撃波のモデルとも比べた。ガスの分子をばらばらに壊すほど急激な衝撃波のモデルでは、H3+ の光の強さは観測の1.5倍以内に収まった。一方、分子を壊さずに磁場の力でじわじわ押していく衝撃波のモデルは、水素分子の線にはよく合うのに、H3+ の光は5〜6分の1しか出なかった。どちらが実際の姿に近いかは、まだ決められない。熱いガスの中で H3+ と水素分子がぶつかったときにどう温まるかのデータが足りないからだ。論文自身もこの点を大きな不確かさとして挙げている。
それでも、使いみちははっきりしている。H3+ は宇宙線や紫外線、X線によってガスに電気が帯びたときにできる分子なので、その光の強さは、ガスがどれだけ電気を帯びているかの目安になる。実際、HH 168 の一角では、隣にある速い衝撃波の近くで H3+ の光が強まっていて、チームはそこから出る紫外線や X 線がガスに電気を帯びさせ、H3+ を増やしているのではないかと考えている。衝撃波の中のガスがどれだけ電気を帯びているかを測る新しい手段になる、というのが論文の結論だ。
1986年の計算が示した波長に、40年後、26本の線が並んだ。その光は、明るい若い星のそばではなく、星の光が届きにくい衝撃波の一角で見つかった。「H3+ は回っても光らない」という話には、40年前から「ほんのわずかなら光る」という但し書きが付いていた。それを確かめるには、望遠鏡の感度に加えて、ほかの線にじゃまされない場所が必要だった。
関連する商品
この記事に関連する本や商品は、Amazon で探せます。
上のリンクから購入されると、このブログに紹介料が入ることがあります。
画像について
この記事の画像は AI（ChatGPT）で作った想像図で、ご自由にお使いいただけます。お使いになるときは、出典としてこの記事へのリンクを載せていただけるとうれしいです。
出典
- Neufeld, D. A., Green, J. D., Watson, D. M., Sonnentrucker, P. (2026) First detection of the forbidden rotational spectrum of H3+: JWST/MIRI observations of the shocked gas in HH 168. arXiv:2611.10122（プレプリント。The Astrophysical Journal Letters に受理済みと著者が注記） https://arxiv.org/abs/2611.10122
- Pan, F.-S., Oka, T. (1986) Calculated forbidden rotational spectra of H3+. The Astrophysical Journal, 305, 518. https://doi.org/10.1086/164264
- ScienceAlert（2026年11月12日）JWST Detects a ‘Forbidden’ Signal Never Before Seen in The Universe – Not Even in a Lab https://www.sciencealert.com/jwst-detects-a-forbidden-signal-never-before-seen-in-the-universe-not-even-in-a-lab
コメント