宇宙への旅人

限界に近い自転速度か


【▲ 高速で自転する褐色矮星を描いた想像図。自転速度が速くなるほど色の異なる帯の幅が狭くなると考えられている（Credit: NASA/JPL-Caltech）】

こちらは「褐色矮星」を描いた想像図です。恒星と惑星の中間にあたる褐色矮星は、天の川銀河だけでも数十億個存在すると考えられている天体です。

恒星はその中心部で起きる水素の核融合をエネルギー源として輝きますが、褐色矮星では水素の核融合が起きないため、恒星のように自ら明るく輝くことはありません。恒星と褐色矮星の境目となる質量は木星の約75倍（太陽の約7パーセント）、惑星との境目となる質量は木星の約13倍とされています。

ウェスタン大学のMegan Tannock氏らの研究グループは、これまで知られていたものよりも短い周期で自転する褐色矮星が3つ確認されたとする研究成果を発表しました。研究グループは、これらの褐色矮星が自転速度の限界についての理解を深めることにつながると考えています。

■地球の1日あたり20～24回自転、褐色矮星としての自転速度の限界に近い可能性

今回報告された3つの褐色矮星「2MASS J0348-6022」「2MASS J1219+3128」「2MASS J0407+1546」は、質量がそれぞれ木星の約43倍、約49倍、約67倍で、直径はいずれも木星とほぼ同じとみられています。

自転周期はそれぞれ約1.08時間、約1.14時間、約1.23時間で、これは約10時間周期で自転する木星の10分の1程度という短さ。地球で1日が経つあいだに、これらの褐色矮星は20～24回ほど自転していることになります。また、3つの褐色矮星の赤道における回転速度は時速約36万km（秒速約100km）以上と算出されていて、木星や土星のように赤道付近が膨らんだ形をしていると予想されています。

Animation Comparing Rotation Rates of Jupiter, Saturn, and Brown Dwarf 2MASS J0348-6022


▲自転速度を比較した動画。左から：褐色矮星「2MASS J0348-6022」、木星、土星▲
（Credit: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (IPAC)）

発表によると、褐色矮星には誕生から時間が経つにつれて自転周期が短くなる傾向があるものの、3つの褐色矮星の年齢はそれぞれ異なるとみられています。それにもかかわらず自転周期が同程度なのは偶然の一致ではなく、褐色矮星としての自転速度の限界に近いことを示しているのではないかと研究グループでは考えています。Tannock氏は「これよりも自転が速いと褐色矮星自身が引き裂かれる可能性があります」と語ります。

いっぽう、褐色矮星に関する現在の理論モデルに基づくと、今回の研究で示された1時間の自転周期よりもさらに約50～80パーセント短くなることが考えられるといいます。研究に参加したウェスタン大学のStanimir Metchev氏は、褐色矮星の高圧な内部の状態は最先端の研究施設でも再現することが困難だとした上で、理論が褐色矮星の全体像を把握しきれていない可能性に言及。さらなる観測と理論の洗練により、褐色矮星が自ら崩壊することを防ぐ何らかの仕組みが明らかになることが期待されています。

なお、今回の研究では2020年1月に運用を終えたアメリカ航空宇宙局（NASA）の赤外線宇宙望遠鏡「スピッツァー」をはじめ、ハワイのマウナケア山頂にあるジェミニ天文台の「ジェミニ北望遠鏡」、チリのラスカンパナス天文台にある「マゼラン望遠鏡」の観測データが用いられています。

Image Credit: NASA/JPL-Caltech

2021-04-10
Soraeより

すばる望遠鏡が褐色矮星を直接観測、新装置＆新発想の組み合わせによる初成果


すばる望遠鏡に設置されたSCExAO／CHARISによって検出された褐色矮星「HD 33632 Ab」（中央右）。中央に位置する主星からの光は遮られている（Credit: T. Currie, NAOJ/NASA-Ames）

NASAエイムズ研究センター／国立天文台ハワイ観測所のセイン・キュリー氏らは、ハワイ観測所の「すばる望遠鏡」の新しい観測装置と新たなアイディアを組み合わせた手法を用いることで、恒星を周回する天体を従来よりも効率的に発見できるようになったとする研究成果を発表しました。研究グループはこの手法により「ぎょしゃ座」の方向およそ86光年先にある褐色矮星「HD 33632 Ab」を発見しています。

太陽以外の恒星を周回する太陽系外惑星は直接観測することが難しく、その多くは「トランジット法」や「視線速度法」といった手法を用いて間接的に発見されてきました。トランジット法は、系外惑星が主星（恒星）の手前を横切る「トランジット」を起こした際に生じる主星のわずかな明るさの変化をもとに系外惑星を検出する手法。もう一つの視線速度法は、系外惑星の公転にともない主星が揺れ動く様子を主星の色のわずかな変化をもとに捉え、系外惑星を検出する手法です。

いっぽう、系外惑星の直接観測による探査を目指すキュリー氏らの研究グループは、2013年に打ち上げられた欧州宇宙機関（ESA）の宇宙望遠鏡「ガイア」の観測データに注目しました。ガイアは天体の位置や運動について調べるアストロメトリ（位置天文学）に特化した宇宙望遠鏡で、18億以上の星々の位置と明るさに関する情報が含まれている最新の観測データ「EDR3（Early Data Release 3）」が先日公開されたばかりです。

関連：観測された星の数は18億以上。宇宙望遠鏡「ガイア」の最新データが公開される

ガイアの観測データを利用すると、恒星のふらつき（動き）を天球上の位置の変化として捉えることができます。研究グループは、ガイアの観測データから大きな軌道を描く系外惑星や褐色矮星が公転しているとみられる恒星をピックアップして観測を実施。その結果、前述の褐色矮星HD 33632 Abを直接観測によって発見することに成功しました。

天球上で検出されたふらつきに着目した新たなアイディアをもとに褐色矮星が見つかったのは今回が初めてのことだといい、研究に参加したカリフォルニア大学サンタバーバラ校のティモシー・ブラント氏は「これまでの褐色矮星探しは運試しのようなものでしたが、今回は勝算の高い探査が可能になりました」と語ります。

研究グループの新たなアイディアによる観測を支えたのが、すばる望遠鏡に設置された2つの最新装置「SCExAO（スケックスエーオー）」と「CHARIS（カリス）」です。SCExAOはあたかも宇宙から観測しているようなシャープな像を生み出す補償光学（AO：Adaptive Optics）システム。CHARISは明るい恒星を周回する系外惑星や褐色矮星といった暗い天体を見分け、表面の状態や温度、大気の様子などを調べることができる分光観測装置です。



公開された冒頭の画像を見ると、太陽によく似た主星から約20天文単位（※）離れたところを周回するHD 33632 Abからの光が捉えられていることがわかります。研究を率いたキュリー氏は「新装置によって得られた非常にシャープな画像のおかげで、HD 33632 Abが発見されただけでなく、天球上での正確な位置や天体の大気の性質を解明するためのスペクトル（波長ごとの光の強さ）まで得られました」とコメントしています。

※…1天文単位＝約1億5000万km。太陽から地球までの平均距離に由来する

発表によると、従来の直接観測による系外惑星や褐色矮星の探査は検出率が数パーセントと非常に低かったといいます。新手法による探査を行っている今回の研究グループはさらに複数の候補を見つけているといい、直接観測でも過去の探査より高い頻度で系外惑星や褐色矮星の発見につながることが期待されています。


左：今回の観測で得られたHD 33632 Abのスペクトル。大気中に水蒸気や一酸化炭素が存在するとみられる。右：天体の動きからHD 33632 Abの軌道を調べるためのモデル。分析結果からHD 33632 Abの質量は木星の約46倍と推定されている（Credit: T. Currie, NAOJ/NASA-Ames, T. Brandt, UCSB）

Image Credit: T. Currie, NAOJ/NASA-Ames

2020-12-11
Soraeより

電波で初めて見つかった褐色矮星「BDR J1750+3809」


褐色矮星「BDR J1750+3809」の想像図。青色で描かれている磁力線に沿って荷電粒子が運動することで電波が放射される。一部の粒子は天体の両極に降り注いで大気の分子と衝突し、オーロラを引き起こす（提供：ASTRON/Danielle Futselaar）

高感度の電波望遠鏡による観測で、温度の低い褐色矮星が発見された。電波観測で褐色矮星が直接見つかったのは初めてだ。

褐色矮星は恒星と巨大ガス惑星の中間にあたる天体だ。普通の恒星のように中心核で水素の核融合反応を起こすほどには質量が大きくないため、自ら光り輝くことができず、「星のなりそこない」と呼ばれることもある。誕生直後の時代に重力収縮や一時的な重水素の核融合で温度が上がり、その後は余熱が時間とともに冷えていくだけの天体なので、褐色矮星が最も強く放射する電磁波はもっぱら赤外線だ。そのため、褐色矮星は主に赤外線のサーベイ観測などで発見されてきた。

その一方で、褐色矮星は電波を放射する場合がある。その仕組みは木星などで起こっているのと同じで、天体の強力な磁場で電子などの荷電粒子が加速されて電波を放射したりオーロラを発生させたりするというものだ。ただし、これまでに褐色矮星から電波を検出した例は数例しかなく、それらも元々は赤外線で発見されていたものだった。

オランダ電波天文学研究所（ASTRON）のHarish Vedanthamさんたち研究チームは、褐色矮星を見つける普通のやり方を逆転させ、まず最初に高感度の電波望遠鏡で低温の暗い天体を見つけ、次にそれらを大口径の赤外線望遠鏡で追観測して褐色矮星かどうか確かめる、という手法で観測研究を行った。

Vedanthamさんたちはまず、オランダなど欧州8か国に設置されている電波望遠鏡アレイ「LOFAR (Low Frequency Array)」で、様々な電波源を発見した。次に、その中から「円偏波」（電磁場の振動面が回転しながら伝わる電波）という性質を持つ電波信号だけを選び出した。恒星や惑星、褐色矮星が放つ電波は円偏波しているが、背景の銀河が放射する電波はこの性質を持たないためだ。


電波望遠鏡アレイ「LOFAR」の観測局。黒っぽいアンテナ群は周波数の高い電波用、茶色のアンテナ群は周波数の低い電波用で、短波・超短波と呼ばれる10～240MHzの周波数帯の電波を観測する。こうした観測局が欧州8か国に52局設置されている（提供：ASTRON）

こうして絞り込んだ候補天体を、米・ハワイのジェミニ北望遠鏡やNASAのIRTFなどの赤外線望遠鏡で観測して正体を探ったところ、ヘルクレス座の方向約210光年の距離に新たな褐色矮星「BDR J1750+3809」が見つかった。電波観測で褐色矮星を直接見つけたのはこれが初めてである。

「ジェミニ北望遠鏡の観測から、BDR J1750+3809は大気中にメタンが存在するほど低温であることがわかりました。この天体は木星のような太陽系の惑星の『いとこ』と言えるほどよく似ています」（Vedanthamさん）。

今回の発見は、LOFARのような高感度の電波望遠鏡を使えば、赤外線観測で発見できないほど低温で暗い天体でも検出できる可能性を示すものだ。恒星の周りを回っていない「浮遊惑星」のような天体も、この手法を使えば発見できるかもしれない。

さらに、低温の褐色矮星は系外惑星にも近い性質を持つため、今回の成果は系外惑星の磁場の性質を調べる目的にも使えるかもしれない。磁場は、系外惑星の大気の特徴や長期的な進化の方向性を決める重要な要素の一つだ。

「私たちの究極の目標は、系外惑星の磁場の性質を理解し、磁場によってその惑星に生命が存在する可能性がどう変わるかを知ることです。低温の褐色矮星に見られる磁気現象は太陽系の惑星で見られるものとよく似ていますから、今回の成果が系外惑星の磁場の理論の検証に役立つような重要なデータをもたらすことに期待しています」（Vedanthamさん）

2020年11月16日
AstroArtsより

褐色矮星の雲にも木星や土星のような縞模様がある？


雲の縞模様があるとみられる褐色矮星「Luhman 16A」を描いた想像図（Credit: Caltech/R. Hurt (IPAC)）

木星に比べて10倍以上重いものの、水素の核融合が続くほどには重くない、恒星と惑星の中間的な存在である「褐色矮星」。そんな褐色矮星のひとつを観測したところ、木星や土星にみられるような雲の縞模様の存在が判明したとする研究成果が発表されています。

■時間をかけるだけではわからない表面の様子を偏光観測で明らかに

Maxwell Millar-Blanchaer氏（カリフォルニア工科大学）らの研究チームは、ヨーロッパ南天天文台（ESO）の「超大型望遠鏡（VLT）」を使い、南天の「ほ（帆）座」の方向およそ6.5光年先と比較的近いところにある褐色矮星「Luhman 16A」を観測。データを分析した結果、その表面に縞模様が存在することが明らかになったとしています。

Luhman 16Aはもうひとつの褐色矮星「Luhman 16B」とともに連星を成していて、どちらも木星の30倍前後の質量があるとされています。地球に比較的近いとはいえ、Luhman 16Aに縞模様があるかどうかを直接撮影して確認することはできません。そこでMillar-Blanchaer氏らは、特定の方向に振動する光を捉える「偏光観測（polarimetry）」を利用しました。

光（電磁波）は伝わっていく方向に対して垂直に、言い換えれば上下左右に振動していますが、この振動が特定の方向では強く、別の方向では弱い「偏光」を起こすことがあります。釣りなどで重宝される偏光サングラスはこの性質を利用することで水面のまぶしさを抑えていますし、液晶ディスプレイなどでも偏光が重要な役割を果たしています。天文学でも偏光は利用されていて、天体の表面の様子、塵の分布、磁場の構造などを調べる際に偏光観測が行われています。

過去の研究において、連星を成すLuhman 16Bの表面には斑点状の模様が存在する可能性が指摘されていました。このような特徴は自転とともに明るさが変化する様子から捉えることができますが、天体を帯状に取り囲む縞模様は自転に連動した変化を示しません。Millar-Blanchaer氏らはLuhman 16Aの偏光観測結果を複数の大気モデルと比較することで、縞模様の存在を確認することに成功したといいます。縞の本数までは特定されていませんが、研究チームによると、観測結果は2本の縞模様が存在すると仮定した場合の大気モデルに最も近かったようです。

Millar-Blanchaer氏は、偏光観測は大気の特性だけでなく天体表面の特性に対しても鋭敏であるため、将来の太陽系外惑星探査においても活用できるとコメント。近いうちに登場する次世代の宇宙望遠鏡や地上の望遠鏡で偏光観測を実施することで、「系外惑星の表面に液体の水が存在するかどうかを確かめられる日も来るでしょう」と語っています。

Image Credit: Caltech/R. Hurt (IPAC)

2020-05-07
Soraeより

秒速650m！　34光年離れた褐色矮星の風速を初めて直接測定


褐色矮星を描いた想像図（Credit: NASA/JPL-Caltech）

木星よりもずっと重いものの、中心部分で水素の核融合が起きるほどには重くない、惑星と恒星の中間にあたる天体「褐色矮星」。そんな褐色矮星の風速を直接測定することに初めて成功したとする研究成果が発表されています。

■赤外線と電波の観測データから風速を割り出すことに成功

Katelyn Allers氏（バックネル大学、アメリカ）らの研究チームが風速の測定に成功したのは、「しし座」の方向およそ34光年先にある褐色矮星「2MASS J10475385+2124234」（以下「2MASS J1047+21」）です。直径は木星とほぼ同じで、質量は木星の40倍ほどとみられていますが、恒星の質量の下限は木星の75倍とされていますから、2MASS J1047+21の質量はその半分程度ということになります。

研究チームは、赤外線と電波による2MASS J1047+21の観測データを分析することで、この褐色矮星の風速が秒速約650m（誤差を考慮すると秒速340～960m）、時速に換算すれば約2300kmであることを割り出しました。木星の風速（時速約370km）はもとより海王星の風速（時速約2000km）も上回るとみられており、Allers氏は、褐色矮星では強い風が吹いているという予測と一致する結果が得られたとしています。

Allers氏らは今回、2MASS J1047+21の大気上層の回転速度を赤外線の観測データから、高圧下で固体のようにふるまっているとみられるガスの内部構造の回転速度を電波の観測データからそれぞれ算出し、その違いから風速を直接測定することに成功しました。算出に用いられたのはNASAの宇宙望遠鏡「スピッツァー」（今年の1月30日に運用終了）によって2017年と2018年に取得された赤外線の観測データと、アメリカの「カール・ジャンスキー超大型干渉電波望遠鏡群（VLA）」によって2018年に得られた電波による観測データです。

なお、研究チームでは、赤外線と電波の観測データを使った今回と同様の手法を用いることで、他の褐色矮星だけでなく質量の大きな太陽系外惑星の風速も測定できると考えています。


今回の研究では赤外線観測によって判明した褐色矮星（左）の上層大気における回転速度（1.741時間、赤で表記）と、電波観測によって判明した内部構造の回転速度（1.758時間、グレーで表記）をもとに風速（秒速650m、水色で表記）を算出した。右は比較として描かれた木星（Credit: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF）

Image Credit: NASA/JPL-Caltech

2020-04-13
Soraeより