ネプチューンの赤道近くに位置し、猛毒ガス」シア​​ン化」帯を世界に先駆けて発見| 東京大学

・イノ高弘（東京大学情報基盤センター特任准教授）

2.発表のポイント
•地上大型望遠鏡「アルマ望遠鏡」を利用して太陽系から最も遠い惑星 “ネプチューン”待機成分を観測。 有毒ガスの一種であるシアン化水素（清算ガス）が、赤道成層圏に帯状に分布していることを世界に先駆けて明らかにした。
•南緯60度付近で上昇赤道と南極で下降する空気の流れが存在して、これにより、シアン化水素が成層圏で生成輸送される可能性が示された。
•最先端の地上望遠鏡と分析技術を組み合わせ探査機による観測の機会が非常に少ない太陽系で最も遠い惑星にも、その環境の理解につながる科学の成果を挙げることができることを示した。

（左）ボイジャー2号が1989年に撮影した海王星の画像。 活発な大気の運動に伴う複雑な雲などの構造を観察することができる。 （提供：NASA / JPL）
（右）本研究で得られたネプチューンのシアン化水素の分布。 赤道からの濃度が高く、南緯60度を中心に低いことが明確に示されている。

3.発表の概要
東京大学情報基盤センターのイノ孝宏特任准教授らの研究グループは、地上の大型望遠鏡「アルマ望遠鏡」を利用して太陽系から最も遠い惑星 “ネプチューン”待機に含まれている有毒ガスの一種であるシアン化水素（注1）を観測しました。 シアン化水素が成層圏に存在することは、過去の観測から知られていたが、今回の観測は、シアン化水素が赤道から成層圏に帯状に分布していることを世界初公開した。 シアン化水素の濃度が高いところに向かって空気の流れがあると考えられるので、ネプチューンの南半球で南緯60度付近で上昇赤道と南極で下降する空気の流れ（循環）が存在する可能性が高いと思います。 本研究では、太陽系で最も遠い惑星でも最先端の地上望遠鏡と分析技術を組み合わせ待機微量含まれる成分を詳細に観察し、その大気環境の解明が可能かどうかを示すことができました。 また、プローブとは異なり、地上望遠鏡は、継続的な観測も可能です。 今後同様の観測手法を、他の惑星にも広げ続け観察して長短期的な変化を把握し、太陽活動と地球の季節と連動した大気の活動のメカニズムを明らかにしていく研究も進めへ行きます。

4.1背景：ネプチューン成層圏シアン化水素の謎
ネプチューンは、太陽系で最も外側を回る惑星であり、「ガス惑星」という同僚の木星、土星、天王星と同様に水素とヘリウムを主成分とする大気を持っています。 しかし、海王星は、他のガス惑星とは異なり、成層圏上部にシアン化水素（注1）は、ガスが多く存在していることを知ることができます。 低高度の対流圏とその上にある成層圏に挟まれた領域である「対流圏界面 “付近の気温は零下200℃と非常に低いため、ほとんどのガスは、気体から液体に変化してしまいます。そのため、シアン化水素のような凝縮可能なガスは、成層圏に上昇することはできません。成層圏上部になぜシアン化水素が偏在しているかどうかは、その構造は、太陽系天文学の大きな謎でした。

4.2本研究の技術的意義– 太陽系の最も遠い惑星から微量の分子の濃度の観測に成功〜
研究グループは、南米チリに設置された大型電波望遠鏡「アルマ望遠鏡」を利用してネプチューンの成層圏からのガスシアン化水素の分布を詳細に観測することに成功しました。 その後、次ののことが明らかになりました。 シアン化水素の濃度は、赤道付近で最も高く（約1.7 ppb、1ppbは大気分子10億個にシアン化水素分子が1つ存在するという意味）南緯60度付近で最も低い（約1.2 ppb）。 ネプチューンは、地球と太陽の距離の約30倍という非常に遠いところに存在しているので、今までの観測は、シアン化水素の分布を知ることができません。 この観測は、シアン化水素の濃度が海王星の緯度に応じてダルダウル世界初公開したものです。 観測に使用されたアルマ望遠鏡は、最大66台のアンテナを結合させて一つの望遠鏡のように駆動させることで、波長の短い電波（波長1ミリ程度）で前例のない高感度と高分解能（=視力）を実現することです。 この高い性能を最大限に活用して、一見径木星の1/20程度の地域で小さくしか見えないネプチューンの分子ガスの分布を明らかにすることを可能にしました。

4.3本研究の科学的意義– 大気循環の存在と、これと連動したシアン化水素生成の可能性を示し〜
大気中の微量分子は大気の大きな流れ（大循環）の影響を受け、惑星で不均一な空間分布になることができます。 研究グループは、発見されたシアン化水素の分布を実現するためのメカニズムを考慮すると、地球の成層圏のように非均一に存在する分子オゾンの分布と大気の流れをお勧めしました。 地球成層圏オゾンは高緯度でより多い特徴を持っています。 これはオゾンが生成された成層圏では、低緯度で高緯度に向かう空気の流れがあるからです。 同様にネプチューンのシアン化水素の濃度に成層圏大気の流れが反映されていると研究者は考えた。 つまり、シアン化水素が最も少なかった中緯度付近で上昇流が生じ、シアン化水素の原因となる窒素分子が成層圏に運ばれます。 運搬された窒素分子は、成層圏での化学反応によりシアン化水素を生成し、赤道と南極に移していくということです。 このように巨大な大気の流れ “大気循環」が海王星に存在し、その結果、成層圏のシアン化水素が形成されている可能性が、本研究では強くなった。

本研究が示唆したネプチューンの大気循環とシアン化水素の生成メカニズム。
大気循環モデルを使用することにより、シアン化水素が成層圏で冗談を起こす理由を説明することができるようになる。
（背景画像提供：NASA / JPL）

4.4今後の展望
この研究成果は、地上の大型望遠鏡を用いることで、海王星のような遠い惑星に含まれる微量の分子ガスでも詳細な観測が可能であることを示しました。 この成果をさらに発展させ、シアン化水素以外の様々な分子の分布を観測することにより、大気の運動や化学の新たな洞察を得ることができるようになります。 同じ観測は、他の天体でも可能であり、観測対象を拡大していく予定です。 また、プローブとは異なり、地上での観測は継続的に行うことができることが大きなメリットです。 したがって長短期的な変化を把握し、太陽活動と地球の季節と連動した大気の活動のメカニズムを明らかにしていくことも可能となるだろう。

4.5その他の
この研究は次の支援を受けて実施された。
日本学術振興会科学研究費補助金
自然科学研究機構天体生物学センター
・公益財団法人電気通信普及財団

この研究を行った研究チームのメンバーは、次のとおりです。
・イノ高弘（東京大学）、佐川急便秀夫（京都産業大学）、塚越孝（国立天文台）、野澤悟徳（名古屋）

5.用語解説
シアン化水素：
機体は清算とも呼ばれる。 化学式はHCN。 猛毒であり、強い呼吸障害を引き起こす可能性があります。 第二次世界大戦で化学兵器として製造された電波天文学でよく観測