宇宙への旅人

赤色巨星に飲み込まれて「すでに存在しないはず」の惑星ハルラ


存在するはずのない惑星「ハルラ」が生き延びたシナリオを説明する想像図。（ W. M. Keck Observatory/Adam Makarenko、アニメーションのスクリーンショット）

米ハワイ大学の天文学チームが、「存在しないはずの惑星」を発見した。

「Halla（ハルラ）」と呼ばれるこの惑星は木星サイズで、太陽系から約520光年離れたこぐま座8番星、通称「Baekdu（ペクトゥ）」を公転している。

米航空宇宙局（NASA）のトランジット系外惑星探索衛星（TESS）の観測結果からは、ペクトゥのコアでヘリウムが燃えていることが示された。これは、コア内の核融合がかなり前に終わり、膨張して赤色巨星になったことを意味している。本来なら、ハルラの軌道までの距離の1.5倍まで膨張し、ハルラをのみ込んだ後、縮小していいたはずだ。

つまり、ハルラはとっくに消滅しているはずであり、なぜ今も存在しているのかは謎だ。

科学誌ネイチャーに先週掲載された研究論文の主著者で、ハワイ大学天文学研究所NASAハッブルフェローのマーク・ホンは「ハルラが自らをのみ込んでいたはずの巨星の近くに存在し続けているという事実は、この惑星が驚くべきサバイバーであることを示しています」と語っている。

2015年に発見されたハルラは、ペクトゥから地球・太陽間の約半分の距離を93日周期で公転している。ハルラが生き残った理由は謎だが、以下の3つのいずれかである可能性がある。

・より大きい軌道で生まれ、後に内側へ移動した（可能性は極めて低い）
・ペクトゥは2個の恒星が合体したものであり、そのためにいずれの恒星も膨張しなかった
・ハルラは、2個の恒星の合体で生まれたちりの雲から、ごく最近形成された

3番目が正解だった場合、ハルラは他に類を見ない「第2世代」の惑星ということになる。「大半の恒星は連星系に属していますが、その周囲でどうやって惑星が形成されるのかは、まだ完全には解明されていません」とホンは語った。「連星相互作用のおかげで、進化の最終段階にある恒星の周りに惑星がさらに多く存在する可能性は十分あります」

2023年7月5日
Forbes JAPANより

“背景重力波”の証拠が得られたか　15年に渡るパルサーの観測が実を結ぶ


背景重力波の証拠が得られたとするNANOGravコラボレーションの研究成果のイメージ図

北米ナノヘルツ重力波観測所（NANOGrav：North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves）に参加する米国・カナダの190名以上の研究者で構成されたNANOGravコラボレーションは6月28日、周波数が非常に低く、宇宙のあらゆる方向から伝わる重力波である「背景重力波（Gravitational Wave Background）」の証拠が得られたとする研究成果を発表しました。

時空間の歪みを遠くまで波のように伝える重力波は、ブラックホールなど質量の大きな天体が運動することで生じると考えられています。2015年以降、アメリカの「LIGO」や欧州の「Virgo」といった重力波望遠鏡の観測によって、比較的軽い恒星質量ブラックホール（質量は太陽の数倍～数十倍、超新星爆発で誕生すると考えられている）どうしの合体などにともなって放出されたとみられる、宇宙の特定の方向から伝わる重力波が何度も検出されてきました。

いっぽう、超大質量ブラックホール（質量は太陽の数十万～数十億倍以上、様々な銀河の中心にあると考えられている）どうしの連星が合体する前に放出されるような低い周波数の重力波は、地球上の検出器では捉えることができません。たとえば欧州宇宙機関（ESA）は2035年の打ち上げを目指して、複数の宇宙機を連携させることでより低い周波数の重力波の検出を目指す宇宙重力波望遠鏡「LISA」の開発を進めています。

今回成果を発表したNANOGravコラボレーションは、グリーンバンク天文台やアレシボ天文台の電波望遠鏡、カール・ジャンスキー超大型干渉電波望遠鏡群（VLA）で取得した観測データをもとに、中性子星の一種「パルサー」を利用した「パルサータイミング法（パルサータイミングアレイ）」と呼ばれる手法で低周波重力波が存在する証拠の検出を試みてきました。NANOGravの名称に含まれる“ナノヘルツ重力波”は、数年周期という低い周波数の重力波を示しています。

中性子星は太陽よりも重い大質量星が超新星爆発を起こした後に残される高密度の天体であり、パルサーはそのなかでも規則正しいパルス状の可視光線や電波が観測される“天然の発振器”と言える天体です。パルス状の信号が観測されるのは、パルサーからビーム状に放射されている電磁波の向きが自転とともに変化しているからだと考えられています。こうしたパルサーが重力の影響を受けると、パルス信号が観測されるタイミングにズレが生じることがあります。パルサータイミング法はこのズレを検出して観測を行う手法であり、これまでにパルサーを公転する太陽系外惑星の発見などをもたらしてきました。

NANOGravコラボレーションによると、68個のミリ秒パルサー（1秒間に数百回という高速で自転するパルサー）を対象とした15年分の観測データを分析したところ、ゆっくりと波打ちながら天の川銀河を通過する、数年～数十年周期で振動する低周波重力波の存在を示す証拠が得られました。この重力波は特定の超大質量ブラックホールのペアから放出されたものというわけではなく、複数の発生源から放出された重力波が重ね合わさったものであり、あらゆる方向から伝わってくる背景重力波だとみられています。アメリカ航空宇宙局（NASA）などでは「パーティーに参加している大勢の声を一人ひとり区別することなく聞くことに似ている」と表現しています。

「ナノヘルツ重力波天文学の時代が到来しました」とNANOGravコラボレーションが語るように、背景重力波の研究はまだ始まったばかりです。今後のNANOGravの成果にはカナダのCHIME望遠鏡による観測データも含まれるようになるということで、銀河どうしが衝突する頻度やブラックホールどうしが合体する原因、宇宙そのものの形成に関する知見が得られると期待されています。今回の成果をまとめた一連の論文はThe Astrophysical Journal Lettersに掲載されています。

Source
Image Credit: NANOGrav collaboration; Aurore Simonet

2023年7月1日
sorae より

4300℃の高温惑星「KELT-9b」の大気から「テルビウム」を発見　大気中で見つかった最も重い元素


恒星KELT-9(右)を公転するホットジュピターKELT-9b(左)の想像図

太陽以外の恒星を公転する太陽系外惑星として観測史上初めて発見された惑星のタイプは「ホットジュピター」です。太陽系のガス惑星は地球よりも太陽から遠く離れているために低温の環境ですが、恒星から極めて近い距離を公転しているホットジュピターは表面温度が1000℃以上に加熱されていることも珍しくありません。名前の通り極端な高温に晒されているホットジュピターの環境は、相当極端であると考えられています。

木星や土星のような巨大ガス惑星には岩石の核（コア）が存在すると考えられていますが、核は分厚い大気の奥深くに隠されています。そのため、巨大ガス惑星の大気成分はほとんどが水素とヘリウムであり、岩石や金属元素は通常見つかりません。

しかし、高温に熱せられるホットジュピターの場合は極端に強い大気循環が発生するため、岩石や金属元素も表面に現れます。重い元素ほど惑星に元々含まれている量が少なく、核から上空へと舞い上がりにくいことから表面に現れにくくなるため、大気中に存在する元素の種類はとても興味深い研究対象となります。

ルンド大学のN.W.B Borsato氏などの研究チームは、ホットジュピターの1つ「KELT-9b」の大気スペクトルを測定し、大気中に含まれる金属元素の探索を行いました。

地球から約670光年離れた位置にあるKELT-9bは、表面の最高温度が4300℃に達する、最も高温な太陽系外惑星の1つです。低温な恒星の表面温度を上回るほどの高温に熱せられたKELT-9bの大気は、ホットジュピターとしても非常に変わった特徴を持つことがこれまでの観測で知られています。例えば、水や二酸化炭素といった分子は恒星からの激しい放射によって分解されるために存在しません。その一方で、鉄やチタンといった金属元素はすでに見つかっています。KELT-9bの大気をさらに詳しく調べることで、他の金属元素が見つかる可能性もあります。

Borsato氏らはロケ・デ・ロス・ムチャーチョス天文台に設置された分光器「HARPS-N」と、カラル・アルト天文台に設置された分光器「CARMENES」を用いてKELT-9bの観測を行いました（両方ともスペインの天文台）。2つの分光器はどちらも惑星の運動によって生じるドップラー効果に対応したスペクトル分析に特化しており、ホットジュピターの大気組成を調べる上で優れた性能を持っています。

観測の結果、8種類の金属元素 (※1) が見つかりましたが、その中でも特に興味深い発見は「テルビウム」 (※2) と「バリウム」 (※3) です。テルビウムは太陽系外惑星の大気中から初めて見つかりました。バリウムは今回が3例目ですが、1例目と2例目 (WASP-76bとWASP-121b) はどちらも2022年に発見されたばかりであり、極めて珍しいケースです。

テルビウムは65番元素、バリウムは56番元素であり、太陽系外惑星の大気中に見つかった重い元素のトップ2です。これほど重い元素を惑星の深部から持ち上げるメカニズムは単純な大気循環だけで説明できるのか、それとも他のメカニズムが働いているのかは今のところ不明です。

ホットジュピターの大気成分を調べる作業は、巨大ガス惑星の深部という通常手の届かない領域を調べるための手掛かりをもたらします。また、重い元素を持ち上げるメカニズムは、惑星内部の物質循環の詳細を知る手掛かりにもなるでしょう。KELT-9bの観測は、単に大気中では珍しい元素を発見するだけに留まらず、惑星全体の詳細を知る重要な手掛かりになる可能性もあります。

※1…軽い順にカルシウム、チタン、バナジウム、クロム、ニッケル、ストロンチウム、バリウム、テルビウム
※2…希土類と呼ばれる似たような元素のグループに属する元素の1つ。高温で動作する燃料電池の結晶安定化剤、磁気で膨張・伸縮する特殊な合金、緑色蛍光剤などに利用されている。
※3…アルカリ土類金属の1つ。X線を通しにくい性質を利用した造影剤 (いわゆる “バリウムがゆ” ) が最も著名な用途。他にも緑色の炎色反応を利用した花火などの用途や、圧電効果を示すセラミックや高温超伝導体といった、今後の実用化が見込まれる材料にも登場している。

2023年5月14日
sorae より

恒星のスーパーフレアに伴う、超高速プロミネンスの噴出を検出


オリオン座V1355星で発生したフーパーフレアと巨大プロミネンス噴出の想像図。（クレジット：国立天文台） オリジナルサイズ（2.2MB）

恒星表面の大規模な爆発現象であるスーパーフレアに伴って噴出したプロミネンスが、京都大学のせいめい望遠鏡と宇宙望遠鏡による同時観測で捉えられました。噴出したガスの量もその速度も、これまでに観測されたものを大きく超える規模であり、恒星の活動が、周回する惑星に与える影響を考える上で、最も極端な例となります。

太陽表面での爆発現象であるフレアと、それに伴って噴出するプロミネンスは、地球環境にも影響を及ぼすことから、近年注目を集めています。さらに大規模な爆発現象スーパーフレアが太陽以外の恒星でも観測されていますが、それに伴って噴出するガスの速度は、これまでの例ではその恒星から脱出できるほど高速ではありませんでした。

京都大学や国立天文台などの研究者から成る研究チームは、京都大学岡山天文台の口径3.8メートルせいめい望遠鏡と、太陽系外惑星の捜索のための宇宙望遠鏡TESSによる同時観測で、「オリオン座V1355星」で発生したスーパーフレアを捉えました。そして、それに伴って噴出したプロミネンスのガスの量と速度を測定することに成功しました。スーパーフレアのエネルギー量は、最大規模の太陽フレアの7000倍、プロミネンスの噴出速度は毎秒1600キロメートルで、この恒星からガスが脱出できる速度である毎秒350キロメートルを大きく超えるものでした。さらに、このプロミネンスの質量は、これまでに太陽で観測された最大級のプロミネンスの100倍にも上ることも分かりました。

今回の研究の中心となった、京都大学大学院理学研究科 修士課程の井上 峻（いのうえ しゅん）さんは、「この発見は、恒星の周囲の惑星環境と、恒星自身の進化という、2つの観点から重要な意味を持ちます」とコメントしています。

本研究では、恒星から噴出するプロミネンスの確かな証拠を捉えました。この噴出が、恒星本体の進化にどのように影響し、また恒星を周回する惑星にどのような影響を与えるかを考察することで、今後の恒星・惑星科学の大きな手掛かりを得ることができると期待されます。研究チームは、今後は可視光線だけでなく、X線や電波を観測できる望遠鏡と連携して同時観測を行い、恒星における大規模なプロミネンス噴出についての理解を深めたいと考えています。

この研究成果は、Inoue et al. “Detection of a high-velocity prominence eruption leading to a CME associated with a superflare on the RS CVn-type star V1355 Orionis”として、米国の天体物理学専門誌『アストロフィジカル・ジャーナル』に2023年4月27日付で掲載されました

2023年4月28日
国立天文台より

超新星の電波再増光が示す連星進化の道筋

天文学者が想像する、大質量星の終焉の様子 / An astronomer's visualization of the demise of a massive star



アルマ望遠鏡が、爆発後1年以上経過してから超新星の発する電波が再増光する様子をとらえた。爆発前の星の表面から伴星がはぎ取ってまき散らしたガスが増光の原因と考えられる。

質量が大きな恒星は一生の最期に超新星爆発を起こすとされている。恒星の多くは連星を成しているため、大質量星の末期は伴星によってもある程度左右されるはずだ。たとえば、大質量星の表面のガス（星周ガス）が伴星の重力ではぎ取られて連星系外にまき散らされることが考えられる。しかし、そうした相互作用は短期間で起こるため、ガスがまき散らされている瞬間を目撃できる見込みは低い。

天文学者が想像する、大質量星の終焉の様子（提供：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), K. Maeda et al.）

超新星爆発で飛び散った星の残骸は、光速の10%にも達する速度で周囲に広がる。この残骸が、爆発前にまき散らされていた星周ガスと衝突すると、「シンクロトロン放射」と呼ばれる電波を放つ。この電波の強度や時間変化から逆算すると、星周ガスの性質を特定でき、ガスを放出した恒星の進化過程を調べることができる。

そこで京都大学の前田啓一さんと大阪大学の道山知成さんたちの研究チームは、くじら座の方向約4700万光年の距離にある渦巻銀河M77で2018年11月に出現した超新星「SN 2018ivc」からの電波を、数年にわたってアルマ望遠鏡で観測した。すると、爆発から200日後に弱まっていた電波が、爆発から1000日後には増光するという珍しい現象が観測された。再増光は爆発の1年後以降に始まったと考えられる。


爆発から約200日後と約1000日後の超新星SN 2018ivc
（左）超新星爆発直後にハッブル宇宙望遠鏡が撮影したM77とSN 2018ivc。（右上）SN 2018ivcの爆発から約200日後のアルマ望遠鏡による観測画像、（右下）約1000日後の画像（提供：（左）Based on observations made with the NASA/ESA Hubble Space Telescope, and obtained from the Hubble Legacy Archive, which is a collaboration between the Space Telescope Science Institute (STScI/NASA), the Space Telescope European Coordinating Facility (ST-ECF/ESA) and the Canadian Astronomy Data Centre (CADC/NRC/CSA)、（右）ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), K. Maeda et al.）

超新星の再増光はセンチ波であれば過去にいくつか観測例がある。しかし、センチ波におけるシンクロトロン放射の大部分はすぐに衝撃波や星周ガスに吸収されてしまうため、もともと放射された量を正確に知ることが困難だ。それに対して、今回アルマ望遠鏡が初めて再増光を観測したミリ波帯は、吸収が少なく、星周物質の正確な情報を伝えてくれるはずだ。

再増光は爆発の衝撃波が濃い星周ガスに到達したことで発生したと考えられる。その再増光が爆発後1年以上経って生じたということは、超新星爆発の位置から0.1光年ほどの距離に濃いガスが分布していると推測される。これは、超新星爆発の約1500年前に大質量星からのガスのはぎ取りが生じたことを示唆する結果だ。


電波で再増光した超新星SN 2018ivcの想像図
超新星爆発後、減光を経て電波で再増光した超新星SN 2018ivcの想像図。爆発前の連星相互作用の影響で星の表面のガスが周囲にまき散らされ、それが爆発で飛び散った星の残骸と衝突することで時間差で電波放射が強くなったと考えられる（提供：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), K. Maeda et al.）

「大質量星の一生について、連星系を成さない場合や連星の軌道半径が長い場合は、生涯、連星相互作用の影響を受けない『単独星進化』の経路を辿り、軌道半径が短い場合は、爆発のずっと前に連星相互作用を起こして進化最終期では静かな状態で超新星爆発を起こす『連星進化』の経路を辿ると考えられています。その中間の場合については、観測的証拠が見つかっておらず、大質量星の一生についての体系的な理解が欠けた部分、『ミッシングリンク』となっていました。今回の成果は、この部分を埋める、非常に重要な成果です」（前田さん）。

アルマ望遠鏡では、予定されていた観測スケジュールに割り込んで、突発天体現象の観測を行うことができる体制が整えられている。今回、そのような柔軟な運用体制により、天体の変化を時間軸に沿って調べる時間軸天文学が実現した点を道山さんは強調している。「宇宙には、重力波を放出する連星中性子合体、恒星同士の合体現象、新星爆発や恒星の表面爆発など、超新星以外にも様々な突発的爆発現象が存在します。今回の成果は、アルマ望遠鏡がこうした突発現象観測においてユニークな地位を占め得ることを示したものともいえます」（道山さん）

2023年3月6日
AstroArtsより