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白色矮星の降着円盤

Posted by moonrainbow on 28.2022 白色矮星   0 comments   0 trackback
降着円盤の構造をとらえる新たな手法、可視光線とX線の高速同時観測

矮新星はくちょう座SS星の想像図
矮新星はくちょう座SS星の想像図。中心の白色矮星、周りを取り巻く降着円盤、円盤にガスを供給する伴星から成る(提供:東京大学木曽観測所)

矮新星はくちょう座SS星では、可視光線における秒スケールでの明るさの変化がX線に連動していることがわかった。矮新星を構成する白色矮星の降着円盤について知る新たな手がかりとなりそうだ

生まれつつある恒星から、銀河中心核の超大質量ブラックホールまで、大量の物質が中心天体に取り込まれるような場面では、降着円盤と呼ばれる構造が形成される。降着円盤は、ガスの回転による遠心力が中心天体の重力と釣り合うことで維持されていて、ガスが摩擦で回転速度を失うことで中心へと落下していく。この摩擦でガスが加熱され、降着円盤は明るく輝く。

降着円盤の多くは、望遠鏡でも点にしか見えない距離にある。そのため、円盤の構造について知るには、多波長での観測や明るさの時間変動を手がかりとする必要がある。このような観測によって降着円盤の仕組みが解明されてきた天体として挙げられるのが矮新星だ。矮新星とは、高密度な天体である白色矮星と通常の恒星が極めて接近した連星系で、恒星から白色矮星へガスが流出し、降着円盤を形成している。定期的に「ししおどし」のように円盤のガスが急激に白色矮星へ落下するメカニズムが働くため、矮新星は一定の周期で急増光を示す。

代表的な矮新星はくちょう座SS星(SS Cyg)は、1か月ほどの周期で増光と静穏の状態を繰り返す。また、X線から可視光線まで幅広い波長帯域で明るく、とくに可視光線では100年以上もの間観測され続けている。

このはくちょう座SS星が、静穏期でも可視光線で2.5倍、X線で10倍も明るくなるという状態が、2019年8月から1年以上にわたって続いている。これは長い観測の歴史の中で初めてのことだ。東京大学の西野耀平さんたちの研究チームは、この機に降着円盤天体について新たな知見が得られると考え、可視光線とX線での同時観測を2020年9月から11月にかけて実施した。可視光線観測には東京大学木曽観測所105cmシュミット望遠鏡に搭載された高速動画カメラ「トモエゴゼン(Tomo-e Gozen)」、X線観測には国際宇宙ステーションに設置されているNASAのX線望遠鏡「NICER」を使い、どちらの波長でも秒以下での変動までとらえられる観測を実現している。

このうち2020年9月14日に観測した約500秒のデータから、可視光線とX線の変動が同期していることが明らかになった。はくちょう座SS星で可視光線とX線の変光がはっきりと連動しているのが検出されたのは初めてのことだ。また、明るさが急激に変化した部分に着目すると、可視光線の変化がX線の変化に対して約1秒遅れていることがわかった。X線に対して可視光線が遅延する現象が矮新星でとらえられたのは、これも初めてだ/u>。

はくちょう座SS星の可視光線
時間変動の観測結果
はくちょう座SS星の可視光線(赤)とX線(青)の明るさの時間変動。ピンクで示されているのは、明るさの変化が急激だった区間(提供:東京大学大学院理学系研究科・理学部リリース、以下同)

矮新星の降着円盤では、X線は白色矮星付近の高温に加熱されたガスから発せられ、可視光線は比較的低温な円盤外縁部から出ている。また、今回検出された可視光線の遅延は、はくちょう座SS星の白色矮星付近から降着円盤の外縁まで光が伝播する時間とおおよそ一致する。このことから、中心付近の高温ガスからのX線が降着円盤と伴星の表面に当たり、それによって加熱されたガスが可視光線を再放射したのだと考えられる<

幾何学的構造の説明図
円盤の幾何学的構造
はくちょう座SS星の円盤の幾何学的構造の説明図(円盤面の方向から見た断面図)

X線が円盤の外側へ届くには、高温ガスが分布する中心付近の円盤がある程度厚くなければならない。今回のような可視光線とX線の連動は過去に観測されてないことから、中心付近における円盤の拡大は最近起こった可能性がある。

これまで、矮新星の構造をとらえるためには、もっぱらX線のスペクトル解析が用いられてきた。一方、今回の研究では可視光線とX線の同時観測により、降着円盤の形状に関する知識を得ることに成功している。この手法は他の天体における降着円盤にも応用できるだろう。西野さんたちはさらに、可視光線とX線以外も用いた多波長の高速同時観測も検討している


2022年5月23日
AstroArtsより

白色矮星の表層で水素の安定した核融合反応

Posted by moonrainbow on 14.2021 白色矮星   0 comments   0 trackback
一部の白色矮星では表層で水素の安定した核融合反応が起きている可能性


白色矮星「シリウスB
【▲ 白色矮星「シリウスB」(左)と地球(右)を比べたイメージ図(Credit: ESA/NASA)】

ボローニャ大学/イタリア国立天体物理学研究所(INAF)のJianxing Chen氏らの研究グループは、「ハッブル」宇宙望遠鏡による観測データを分析した結果、一部の白色矮星では表層に残った水素の安定した水素燃焼(水素の核融合反応)が起きているとする研究成果を発表しました

比較的軽い恒星が進化した姿である白色矮星は、自ら核融合反応は起こさず余熱で輝くのみだと考えられてきました。研究を率いたChen氏自身が「大変驚きました」と語る今回の成果は白色矮星に関する従来の認識とは合致せず、白色矮星の年齢や、それをもとに推定されてきた球状星団・散開星団の年齢を見直すことにつながるかもしれません

■白色矮星における安定した水素燃焼の観測的証拠が初めて得られた

恒星の最期というと超新星爆発を思い浮かべる人が多いかもしれませんが、質量が太陽の8倍以下の比較的軽い恒星は超新星に至らず、赤色巨星に進化した段階で外層からガスを放出した後に、コア(中心核)の部分が残った白色矮星へ進化すると考えられています。

白色矮星は地球と同程度のサイズですが、質量は太陽の半分~1個分ほどもある高密度な天体です。冒頭でも触れたように、白色矮星は恒星だった頃の余熱で輝く天体であり、自ら核融合反応を起こさないと考えられていました。

今回、Chen氏らはハッブル宇宙望遠鏡の「広視野カメラ3(WFC3)」を使用し、天の川銀河にある2つの球状星団「M3」および「M13」の白色矮星を近紫外線の波長で観測しました。M3とM13は年齢や金属(水素やヘリウムよりも重い元素)の含有量がよく似ており、星の種族を比較研究する上で理想的な対象なのだといいます。

観測の結果、恒星の数はM3よりもM13のほうが少ないにもかかわらず、同じ明るさの範囲における白色矮星の数はM3が326個であるのに対し、M13では460個も検出されました。データを分析したところ、M3の白色矮星はどれも標準的だったものの、M13の白色矮星は標準的なものと水素の薄い外層を持つものの2種類が存在することが判明。恒星進化のシミュレーションと比較した結果、M13の白色矮星のうち約7割では表層で安定した水素燃焼が起きている可能性が示されました。

白色矮星が別の恒星と連星を組んでいる場合、恒星から流れ出て白色矮星の表面に降り積もった水素ガスが暴走的な熱核反応を起こして表層が吹き飛ぶ「新星」(古典新星とも)や、ガスが降り積もり続けて白色矮星の質量が太陽の約1.4倍(チャンドラセカール限界)に達したことで発生する「Ia型超新星」に至ることがあるとされています。ただし、新星やIa型超新星は一時的な激しい現象であり、安定した水素燃焼とは異なります。Chen氏は「白色矮星でもまだ起こる安定した熱核反応の観測的な証拠が初めて得られました」と語ります


■球状星団や散開星団の年齢が見直しを迫られる可能性

球状星団「M3」
【▲ ハッブル宇宙望遠鏡が撮影した球状星団「M3」(右)と「M13」(左)(Credit: SCIENCE: ESA, NASA, Giampaolo Piotto)】

表層で安定した水素燃焼を起こす白色矮星がM13には存在するのにM3には見られない理由については、白色矮星へと進化した恒星の質量が関係しているとみられています。研究グループによると、白色矮星に進化する星が恒星としての最期に近付いたとき、比較的重い星の場合は対流によって外層の水素が内側へと運ばれて燃焼するため、誕生する白色矮星には水素が残りません。これに対し、比較的軽い一部の星では外層の水素が内側へと運ばれるプロセスが生じないといいます。M13の星々はM3と比べてわずかに軽い傾向があるといい、白色矮星に水素が残存しやすかったようです。

研究に参加したボローニャ大学のFrancesco Ferraro氏によると、白色矮星が維持できる水素の表層は質量が太陽の1万分の1程度という大変薄いものながら、最小限の熱核反応が可能とされています。

今回の成果が正しかった場合、研究者は白色矮星の年齢を推定し直す必要に迫られるかもしれません。余熱で輝き時間とともに冷えていく天体だとみなされていた白色矮星の年齢は、これまで表面温度との比較的単純な関係をもとに推定されてきました。表面温度が高い白色矮星ほど年齢が若く、温度が低くなるほど年齢を重ねているというわけです。

しかし、表層で安定した水素燃焼が続いている場合は冷え方が遅くなるため、白色矮星の年齢が実際よりも若く見積もられるかもしれません。研究グループによると、推定される年齢には最大で10億年の誤差が生じる可能性があるといいます。また、球状星団や散開星団の年齢を求める上で、表面温度から推定された白色矮星の年齢は一種の時計として用いられてきたといい、今回の成果によって星団の年齢も見直しを迫られることになるかもしれません


Image Credit: SCIENCE: ESA, NASA, Giampaolo Piotto

2021-09-09
Soraeより

白色矮星から岩石惑星の痕跡

Posted by moonrainbow on 25.2021 白色矮星   0 comments   0 trackback
白色矮星の外層から岩石惑星の痕跡を検出、蒸発した地殻の破片か

岩石惑星の破片を描いた想像図
潮汐作用で破壊され、白色矮星へと降り積もっていく岩石惑星の破片を描いた想像図(Credit: University of Warwick/Mark Garlick)

ウォーリック大学のMark Hollands氏らの研究グループは、4つの白色矮星の外層から、かつて岩石惑星の地殻に含まれていたとみられる物質が検出されたとする研究成果を発表しました

太陽と比べて質量が8倍以下の恒星は、その晩年に赤色巨星へと進化して周囲にガスや塵を放出します。やがてガスを放出しきった赤色巨星は核融合で輝くことを止めてコア(中心核)だけが残り、白色矮星に進化すると考えられています。核融合をしない白色矮星は予熱で輝く天体なので、恒星としては死を迎えた姿ともいえます。

今回研究グループは欧州宇宙機関(ESA)の宇宙望遠鏡「ガイア」やアパッチポイント天文台のサーベイ観測プロジェクト「スローン・デジタル・スカイ・サーベイ(SDSS)」の観測データをもとに、「LHS 2534」をはじめ全部で4つの白色矮星のスペクトル(波長ごとの電磁波の強さ)を調べました。元素には特定の波長の光を吸収する性質があるため、白色矮星のスペクトルを分析することで、そこにどんな元素が存在するのかを知ることができます。

研究グループによる分析の結果、4つすべての白色矮星からリチウムが、LHS 2534ではリチウムに加えてカリウムが検出されたとされています。同様に検出されたナトリウムやカルシウムに対するリチウムとカリウムの比率は、地球や火星のような岩石惑星の地殻を構成していた物質が気化して白色矮星のガス状の外層で200万年に渡り混ざりあったとすれば説明できるといいます。

研究グループは検出されたリチウムやカリウムについて、白色矮星に降り積もった岩石惑星の地殻の破片を示すものだと考えています。これまでにも白色矮星の大気中からはケイ素や鉄といった惑星のマントルやコアを構成する物質が検出されたことがありましたが、Hollands氏によると岩石惑星の地殻を示す決定的な検出はなかったといいます。いっぽう、惑星のマントルやコアにリチウムやカリウムは高濃度では含まれておらず、地殻の物質を示す良い指標になるとHollands氏は言及しています。

発表によると、白色矮星の外層に含まれる破片の質量は最大30万ギガトン(最大60ギガトンのリチウムおよび3000ギガトンのカリウムを含む)、地球の地殻と同じ密度になるように集めれば直径60kmの球体が出来上がる量だと推定されています。研究グループは赤外線による観測データも踏まえた上で、白色矮星の大気中に存在しているのは惑星の破片のごく一部であり、白色矮星を取り囲む円盤から継続的に惑星の破片が落下し続けている可能性を指摘しています。

また、今回の研究対象となった白色矮星は核融合を止めてから約50億~100億年が経っており、一部は恒星として形成されたのが110億~125億年前という天の川銀河でもかなり早い段階で誕生した星とみられています。研究に参加したウォーリック大学のPier-Emmanuel Tremblay氏は、知られているもののなかでも最も古い時代に形成された惑星系の1つだと語ります。

さらに、4つの白色矮星のうち1つはかつて太陽の5倍近い質量を持つB型星だったと推定されています。恒星は質量が大きいほど寿命は短くなるため、B型星の寿命は太陽よりも短く、場合によっては太陽の100~1000分の1程度しかありません。短命な恒星が進化した白色矮星から惑星の痕跡を検出した今回の成果についてTremblay氏は「惑星がどれだけ速やかに形成され得るかについての重要な知見をもたらす記録的な発見です」とコメントしています


Image Credit: University of Warwick/Mark Garlick

2021-02-16
Soraeより

白色矮星「SDSS J1240+6710」

Posted by moonrainbow on 23.2020 白色矮星   0 comments   0 trackback
高速で天の川銀河を移動する白色矮星、崩壊した連星から飛び出した?

爆発後に高速で飛び出す白色矮星を描いた想像図
爆発後に高速で飛び出す白色矮星を描いた想像図(Credit: University of Warwick/Mark Garlick)

星々はいずれも固有の方向へ移動していますが、なかには秒速数十kmや数百kmといった高速で移動するものもあります。2015年に発見されたある白色矮星が、一種の超新星爆発を起こしたために高速で移動するようになったのではないかとする研究成果が発表されています

■部分的な超新星爆発を起こした結果、崩壊した連星から飛び出したか

「りゅう座」の方向およそ1400光年先にある「SDSS J1240+6710」は太陽の4割ほどの質量がある白色矮星で、天の川銀河を時速およそ90万km(秒速およそ250km)で移動しています。今回、Boris Gaensicke氏(ウォーリック大学)らの研究グループは、SDSS J1240+6710が部分的な超新星爆発(partial supernova)を起こしたことで連星を飛び出し、高速で移動することになったとする研究結果を発表しました。

太陽のような恒星が赤色巨星を経て進化した姿とされる白色矮星の大半は、おもに水素とヘリウムでできた大気を持つとされています。ところがSDSS J1240+6710の大気には水素とヘリウムが見当たらず、酸素を主体にネオン、マグネシウム、ケイ素が混じった大気を持つことがすでに知られていました。

研究グループが「ハッブル」宇宙望遠鏡による観測データをもとにSDSS J1240+6710の大気組成を分析したところ、上記の元素に加えて炭素、ナトリウム、アルミニウムが検出されたいっぽうで、鉄、ニッケル、クロム、マンガンといった元素はほぼ存在しないことがわかったといいます。

これらの事実をもとに研究グループでは、SDSS J1240+6710はもともと連星を成しており、Ia型超新星に代表されるような核燃焼型の超新星爆発を起こしたものの、前述のようにその爆発は部分的なものだった(ケイ素燃焼の過程までは進まなかった)と考えています。ただし、核燃焼にともない質量の大部分が急激に失われたことで連星のバランスが崩れた結果、SDSS J1240+6710が高速で飛び出すことになったとしています。Gaensicke氏は「それはこれまでに観測されたことがない種類の超新星だったでしょう」と語ります。

また、研究グループによると、Ia型超新星の残光はニッケルの放射性同位体(ニッケル56)の放射性崩壊が源になっているものの、SDSS J1240+6710が起こした爆発ではニッケル56が少量しか生成されなかったとみられることから、同様の爆発は発見するのが難しいだろうとしています。Gaensicke氏は「天の川銀河にある超新星爆発を生き延びた天体を観測することは、別の銀河で観測される数多くの超新星を理解する上で役立ちます」とコメントしています


Image Credit: University of Warwick/Mark Garlick

2020-07-16
Soraeより

白色矮星連星「J2322+0509」

Posted by moonrainbow on 13.2020 白色矮星   0 comments   0 trackback
合体する運命にある白色矮星連星を発見。なんと公転周期は20分

連星「J2322_0509」を描いたイメージ図
白色矮星どうしの連星「J2322+0509」を描いたイメージ図(Credit: M. Weiss)

2つの恒星が互いを周回し合う連星は、この宇宙ではごくありふれた存在です。今回、連星を成す恒星が両方とも白色矮星に進化した「白色矮星どうしの連星」が、「うお座」の方向で見つかりました

■重力波を放出しつつ600万~700万年後には合体するとみられる

今回、Warren Brown氏(ハーバード・スミソニアン天体物理学センター、アメリカ)らによって分析されたのは、うお座の方向およそ2500光年先にある「J2322+0509」です。J2322+0509はそれぞれ太陽の0.27倍と0.24倍の質量がある2つの白色矮星から成る連星で、重いほうの表面温度は摂氏およそ1万8000~2万度とみられています。

研究チームがアリゾナ州の「マルチミラー望遠鏡(MMT)」やチリの「マゼラン望遠鏡」を使って観測したところ、J2322+0509では2つの白色矮星が約1201秒(20分1秒)周期で互いを周回し合っていることが明らかになりました。これは過去に報告された「ZTF J1539+5027」(約414秒)や「SDSS J0651+2844」(約765秒)に次いで、既知の連星では3番目に短い公転周期だといいます。

J2322+0509では白色矮星が重力波の形でエネルギーを放出しながら周回しているため、今後は周期がさらに短くなり、白色矮星どうしの距離も徐々に短くなっていくとみられています。研究チームでは、J2322+0509の2つの白色矮星は600万から700万年後には合体して、より大きな単一の白色矮星が誕生することになると予想しています。

なお、J2322+0509を成すのはどちらも恒星のヘリウムコアに由来するヘリウムが主体の白色矮星(helium-core White Dwarf)とみられており、研究チームによると、このような白色矮星どうしがペアを組む連星が見つかったのは今回が初めてだといいます。また、2034年に打ち上げられる予定の宇宙重力波望遠鏡「LISA」では、J2322+0509のような白色矮星から放出される重力波が数多く検出できると予想されています


Image Credit: M. Weiss

2020-04-06
Soraeより
 

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