宇宙への旅人

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

AIが宇宙の電波に隠された奇妙なシグナルを検出。地球外生命体が関与か？



地球外文明の捜索は、地球外知的生命探査「SETI」の優秀な研究者によって行われているが、今のところその成果はほとんどあがっていない。　カナダのSETI研究者らは、人間では埒が明かないので、もうAI（人工知能）にやらせちゃおうと考えた。

　彼らが開発したAIに、480時間を超える観測データを分析させたところ、これまでのアルゴリズムが見落としていた興味深い8つのシグナルが発見されたと、『Nature Astronomy』（2023年1月30日付）で報告されている。

未知なる電波を探し出すにはAIが必要
　
宇宙から地球へとどく電波には、さまざまな情報が含まれている。だが気をつけないと、本当は地球で放たれた電波なのに、宇宙からのものと勘違いしてしまうこともある。

　SETI（地球外知的生命探査）の研究者が探しているのは、宇宙からやってくる「狭帯域ドップラードリフティング信号」だ。つまり、動いていて、特定の周波数の範囲におさまっているシグナルである。

　困ったことに、こうしたシグナルが時間や距離によってどう変化するのか、あまりよくわかっていない。

　よくわからないものを、地球の電波という雑音の中から見分けねばならないのだ。それは森の中の未知の木を探すようなもので、人間にはとにかく骨が折れる作業だ。

　そこでカナダ、トロント大学のピーター・マー氏らは、それをAIにやらせることにした。専用のニューラルネットワークを作り、SETIが集めたデータから、一番重要と思われる特徴を探させることにしたのだ。


photo by iStock

AIが奇妙な8つのシグナルを検出
　
宇宙からのシグナル検出にアルゴリズムが使用されることならある。だが、新しいAIはそうしたものに比べ2倍も速いだけでなく、ある重要な特徴がある。

　それは、アルゴリズムが人間の命令通りにしか働かないのに対して、AIなら常識にとらわれない思考ができることだ。

　この特徴は地球外文明の電波を探すのなら特に重要だ。というのも、地球外文明の電波がどのようなものかはっきりとはわからないからだ。

　そしてAIを導入した成果はすでにあがっている。

　2016年以降、820の星を480時間にわたって観測した望遠鏡のデータでAIに機械学習させたところ、従来のアルゴリズムが見逃していた8つの注目すべきシグナルが特定されたのだ



はたしてそのシグナルは地球外文明からのメッセージか？
　
はたして8つのシグナルは、本当に地球外文明からとどいた電波なのだろうか？ それらの検証はまだこれからだ。

　そして仮に、それが地球外のものである確証が得られたとしても、その発生源がどのような技術なのかすぐにわかるわけではない。

　SETI関係者の理想としては、そうしたシグナルに技術的な情報が隠されていたり、地球外文明のテクノシグネチャー（地球外文明の証拠）だったりすることだろう。

　だが当事者であるマー氏は「それを期待しているわけではありません」と、あくまで慎重な姿勢を見せている

2023年02月03日
カラパイアより

宇宙への扉を開け！－新作動画を公開

天の川のかたち【シリーズ 宇宙へのとびら エピソード1】



国立天文台は、天文学のトピックを取り上げた動画『宇宙へのとびら』シリーズ3本を制作しました。どれも10分ほどの動画で、天文学の中でもわりと新しく、わかりやすい話題を取り上げてみました。今回その第1弾、エピソード1『天の川のかたち』を公開しました。制作にあたり、作品に込めた思いをお伝えしたいと思います。

天文学はエキサイティング

天文学というと、完成された古臭い学問と感じる方もいらっしゃるようですが、現代の天文学は、宇宙という奥行きが138億光年もある、とんでもなく広い空間と、そこに散らばる天体を研究対象にしています。観測技術の向上に伴い、ブラックホールシャドウの撮影に成功したり、アストロバイオロジー（直訳すると宇宙生物学）という新しい研究分野ができたりと、天文学はいま大きな進展を見せています。ぜひ多くの方、とくに中学生や高校生に見ていただいて、天文学がじつはとてもエキサイティングな分野であることを知ってもらえればと思います。


オープニング映像のワンカット（クレジット：国立天文台）

誰にでも楽しんでもらえるように

私は、以前から科学コンテンツをエンターテインメント性のあるものにできないかと考えていました。教科書を映像にしたようなものではなく、ストーリー性とエモーショナルな感じを加えた、映画のような、かっこよくて、より視聴しやすいものにです。とくにこのシリーズでは、とにかくエキサイティングな天文学を知ってもらいたかったので、現代の天文学の話題を、すこし砕けた感じのナレーションでテンポよく進めて行くスタイルにしようと思いました。と同時に、これまでに解明されたことだけでなく、これからもまだ研究の余地が残されていることにも触れ、将来の研究者へのバトンタッチで終わる形にしてみました。

映画の雰囲気を目指して

今回のシリーズの構想は、当初かなり迷走していまして、どんなテイストにしようか悩んでいました。エンターテインメント性のある作品のテイストを考えるのは、たいへん骨が折れます。テイストさえ決まれば、半分はできたといってもいいかもしれません。七転八倒した挙句、思い出したのが某外国映画でした。その映画の主人公は、高飛車だし、ふざけた態度だけど、ホントは隠れた実力の持ち主。そんな人が案内役になる作品があったらおもしろいかなぁ、と以前から空想していたのです。その主人公の日本語吹き替えが、今回ナレーションをお願いした、声優の平田広明（ひらた ひろあき）さんでした。

しかし平田さんに「あの役でお願いします」というわけにもいきません。某外国映画のメインテーマ曲が12分の8拍子であることに気づき、映画のリズム、雰囲気に近いものをBGMバンクから苦労して選曲しました。ナレーション収録の時、それらの曲をバックに流し、それとなく平田さんに訴えてみたのですが……いかがでしょうか？


スタジオでの作業の様子（クレジット：国立天文台）

おわりに

今回、エピソード1『天の川のかたち』を公開しました。視聴する際は、できればパソコン画面いっぱいに映像を広げてご覧ください。美しく、迫力あるシーンが楽しめると思います。さらにこの動画シリーズで、多くの方に天文学に興味を持っていただけたらと思います。あなたの頭の上、空のすぐ向こうに謎とその答えはあるのです！　そしてさらにさらに、この動画がキッカケとなって研究者に……それはちょっと欲張りすぎでしょうか？　まずは肩の力を抜いて、映像を楽しんでいただけたらと思います。

エピソード2と3は、3月と5月の公開を予定しています。ご期待ください！

文：塩谷保久（国立天文台 天文情報センター）

2023年2月 2日
国立天文台より