宇宙への旅人

公転周期は1日未満　非常に近接した“超低温矮星”の連星を新たに発見


【▲ LP 413-53AB星系（上段）、TRAPPIST-1星系（中段）、木星系（下段）を比較した図。LP 413-53ABを構成する2つの超低温矮星の間隔は、木星からその衛星カリストまでの距離よりも短いとされる（Credit: Adam Burgasser/University of California San Diego）】

ノースウエスタン大学の博士研究員Chih-Chun Hsuさんを筆頭とする研究チームは、小さくて温度も低い恒星「超低温矮星」2つからなる連星を新たに発見したとする研究成果を、アメリカ天文学会の第241回会合にて発表しました。

超低温矮星（Ultracool Dwarf Star）は有効温度が3000ケルビン（摂氏約2730度）を下回るほど低い赤色矮星で、サイズや質量が恒星としての下限に近く、主に赤外線の波長で輝く天体です。これまでに7つの太陽系外惑星が見つかっている恒星「TRAPPIST-1（トラピスト1）」も超低温矮星の一つに数えられます。

今回報告されたのは「おうし座」の方向にある連星「LP 413-53AB」です。前述の通り、この連星は2つの超低温矮星が互いに周回しているとみられています。2つの星は0.01天文単位（※1）程度しか離れておらず、公転周期（言い換えれば「1年」）はわずか20.5時間という短さです。

※1…1天文単位（au）＝約1億5000万km、太陽から地球までの平均距離に由来。

研究に参加したカリフォルニア大学サンディエゴ校のAdam Burgasser教授によると、多くの連星の公転周期は年単位であるため、測定は数か月ごとに行われて、ある程度の期間を経た後にデータが分析されます。ところが、LP 413-53ABは観測データが数分単位で変化しており、スペクトル線（※2）がシフトする様子を“リアルタイム”で観察することができたといいます。

※2…スペクトル（電磁波の波長ごとの強さ）に現れる吸収線や輝線をあわせた呼称。


【▲ LP 413-53ABを構成する2つの超低温矮星の現在のサイズ（赤）と、形成から100万年頃の推定サイズ（点線）を示した図（Credit: Adam Burgasser/University of California San Diego）】

LP 413-53ABは形成されてから数十億年が経っていて、誕生から間もない頃の星のサイズは今よりも大きかったとみられています。太陽から地球までの距離の約1パーセントしか離れていないLP 413-53ABの間隔について「驚くべきことです」と語るHsuさんは、形成されてから100万年程度しか経っていなかった頃には星と星が重なり合っていただろうと指摘しています。研究チームは、LP 413-53ABを構成する2つの星が進化する過程で互いに接近したか、現在は失われている3番目の星が星系から放出された後に接近した可能性があると推測しています。

また、LP 413-53ABではハビタブルゾーンが連星の軌道とたまたま重なっているため、ハビタブルゾーンに惑星が存在することはないとされています。超低温矮星は太陽系の近傍にある恒星の15パーセントを占めるとも推定されていますが、もしもLP 413-53ABのように近接した連星が超低温矮星では一般的な場合、生命居住可能な惑星はほとんど見つからないかもしれないとHsuさんはコメントしています。超低温矮星の連星に関するこれらのシナリオを調査するために、研究チームは同様の連星をより多く特定したいと考えているということです。

Image Credit: Adam Burgasser/University of California San Diego

2023-01-19
soraeより

赤色矮星のフレアにさらされる惑星ではオゾン層の形成が促されているかもしれない


【▲ 高緯度で強力なフレアが生じている赤色矮星（左）と系外惑星（右）を描いた想像図（Credit: AIP/ J. Fohlmeister）】

エクセター大学のRobert Ridgwayさんを筆頭とする研究チームは、赤色矮星（M型星）を公転する太陽系外惑星の生命居住可能性に関する新たな研究成果を発表しました。赤色矮星のフレアにさらされる地球型惑星では、表面を紫外線から保護する“シールド”の形成が促される可能性があるようです。

小さな低温の恒星である赤色矮星は、天の川銀河ではありふれたタイプの星です。その周囲では「TRAPPIST-1（トラピスト1）」のように岩石質と推定される系外惑星がこれまでに幾つも見つかっていて、ハビタブルゾーンを公転しているなどの条件次第では惑星上に生命が誕生している可能性もあるとして注目されています。

しかし、赤色矮星は表面で強力な爆発現象「フレア」が発生しやすい、非常に活発な恒星でもあります。フレアは惑星上の生命を脅かすだけでなく、長期的には惑星の大気を剥ぎ取ってしまうことも考えられることから、赤色矮星を公転する系外惑星の環境は生命にとって厳しいものである可能性が指摘されてきました。そのいっぽうで、強力なフレアは赤色矮星の高緯度で発生する傾向があり、惑星への影響は限定的かもしれないとする研究成果も発表されていま

そこで、恒星の活動が惑星の大気組成や居住可能性に及ぼす影響を調べるために、研究チームは赤色矮星を公転する地球型惑星（※）の3次元シミュレーションを行いました。すると、活発な星のフレアによる光化学反応は惑星の大気中に含まれるオゾン（O3）の量を増加させ（静穏な星を公転している場合と比べて20倍）、結果的に惑星の表面へ到達する紫外線の量がオゾン層によって減少する可能性が示されたといいます。

※…地球から約4.24光年先で見つかった系外惑星「プロキシマ・ケンタウリb」をもとに、主星の潮汐作用によって自転と公転の周期が同期した潮汐固定（潮汐ロック）の状態にある惑星を想定。

また、シミュレーションでは亜酸化窒素（N2O）もフレアによって生成され、濃度が高まる可能性が示されました。オゾンや亜酸化窒素はバイオシグネチャー（生命存在の兆候とみなされる物質）の一種とされていますが、生命活動だけでなくフレアによる非生物的なプロセスでも生成される可能性があるとすれば、今回の成果は系外惑星の大気組成を分析する上で考慮すべき情報を提供することになります。

ただし、今回のシミュレーションでは、現在の地球のように酸素が豊富な大気を持つ惑星を前提としていました。地球の大気に含まれる酸素は、今から20億～25億年前に生命活動によって急増するまで（大酸化イベント）、ほとんど存在しなかったと考えられています。Ridgwayさんはアメリカ天文学会（AAS）の天文誌Sky & Telescopeに対して、今後の研究ではより現実的な、無酸素に近い環境で何が起こるのかを調べたいとコメントしています。

Image Credit: AIP/ J. Fohlmeister

2022-12-02
Soraeより

トモエゴゼンが赤色矮星の短時間フレアを多数検出


短時間フレアの想像図
赤色矮星の表面で発生した短時間フレアの想像図（提供：東京大学木曽観測所、以下同）

東京大学木曽観測所の「トモエゴゼン」の観測データから、赤色矮星の短時間フレアが22件検出された。活動的な赤色矮星ではこのようなフレアがほぼ毎日発生しているという。

恒星の表面では「フレア」という爆発現象がときおり起こる。太陽で発生するフレアでは高エネルギー粒子が大量に放出され、地球に届くと通信障害や人工衛星の故障を引き起こす。

フレアがいつ、どのくらいの強さで発生するかを予想するのは難しく、恒星でフレアが発生する瞬間をとらえた観測はほとんどなかった。しかし、近年では系外惑星を探索する衛星「ケプラー」や「TESS」がたくさんの恒星の明るさを常時監視するようになったおかげで、副産物として多くの恒星フレアが検出されるようになっている。

2021年には太陽系に最も近い恒星として有名なケンタウルス座の「プロキシマケンタウリ」で、紫外線や電波が数秒間だけ急増光する「短時間フレア」が検出された（参照：「プロキシマケンタウリの巨大フレアを多波長で観測」）。プロキシマケンタウリは太陽より低温の赤色矮星で、その周りを公転する惑星が2個発見されており、そのうちの一つはハビタブルゾーン（液体の水が惑星表面に存在できる領域）に位置している。そのため、こうした赤色矮星のフレアの仕組みやハビタブル天体に与える影響を解明するのは、地球外生命の探索にとっても重要だ。

だが、系外惑星探査などのサーベイ観測では数十秒～数十分おきのデータしか得られないため、数秒～数十秒というきわめて短い増光現象である恒星フレアの検出は依然として難しかった。そのため、短時間フレアがよくある現象なのか、どれくらいのエネルギーを放出するのか、といった基本的な性質もよくわかっていなかった。

中国・上海交通大学李政道研究所の逢澤正嵩さんたちの研究チームは、東京大学木曽観測所の超広視野高速カメラ「トモエゴゼン」を使い、赤色矮星の短時間フレア探索を行った。秒単位で広視野の動画を撮像できるトモエゴゼンは一度に数百個の赤色矮星を観測できるので、短時間フレアを効率的に探索できる。

逢澤さんたちは2019～2020年にトモエゴゼンが撮影した観測データのうち40時間分のデータを解析し、約5700個の赤色矮星について明るさの短時間変動を調べた。その結果、継続時間の短い強力なフレアを22個検出することに成功した。


22件の恒星フレア
トモエゴゼンで検出された22件の恒星フレアの光度変化。横軸は時間、縦軸は相対的な明るさの変動を示す

今回検出されたフレアは、わずか数秒から数十秒のうちに明るさが通常時の数十%から最大で20倍も増光するものだ。これは過去に検出された赤色矮星フレアの中でも最も短時間の増光現象で、非常に強力な磁場によってフレアのエネルギーが生み出されていることが示唆される。


赤色矮星フレアの例
検出された赤色矮星フレアの一例。約10秒間に星の明るさが2倍程度にまで増光している。上列は各時刻での星の画像

また、研究チームは中国・河北省興隆観測所の多天体分光望遠鏡「LAMOST」のデータから、今回フレアが検出された赤色矮星のスペクトルなども調べた。その結果、11天体中10天体のスペクトルに水素のHα輝線が見られることを確認した。Hα輝線が強い星ほど磁場の活動性も強いことが知られているため、これは磁場の活動が活発な恒星で短時間フレアが発生しやすいことを示唆する結果だ。逢澤さんたちの見積もりでは、磁場が活動的な赤色矮星ではおおよそ1日に1回の頻度で短時間フレアが発生する計算になるという。

さらに、今回のトモエゴゼンによる観測で、短時間フレアでは減光にかかる時間が増光にかかる時間より最大で約10倍長いことがわかった。このような光度変化の原因として、恒星表面で磁力線がつなぎ変わる「磁気リコネクション」によって大量のエネルギーが解放され、恒星大気が強く加熱されて光が漏れ出ると考えると、観測と矛盾しないことも示された

2022年8月12日
AstroArtsより

赤色矮星のフレアが系外惑星に及ぼす影響は限定的かもしれない


【▲ 高緯度で強力なフレアが生じている赤色矮星（左）と系外惑星（右）を描いた想像図（Credit: AIP/ J. Fohlmeister）】

ポツダム天体物理学ライプニッツ研究所（AIP）のEkaterina Ilin氏らの研究グループは、太陽よりも小さな恒星である赤色矮星で生じた強力なフレアに関する研究成果を発表しました。今回の成果は、赤色矮星を公転する太陽系外惑星における生命探査にとって、大きな意味を持つことになるかもしれません。

■高速で自転する4つの赤色矮星では高緯度で強力なフレアが発生していた

赤色矮星（M型星）は太陽（G型星の一つ）よりも小さな星で、天の川銀河ではありふれたタイプの恒星です。表面温度は摂氏3000度台程度と低く、比較的暗くて赤い色をしているという特徴があります。人類はこれまでに4400個以上の系外惑星を発見していますが、そのなかには赤色矮星を公転する地球に近いサイズの系外惑星が幾つも含まれています。

地球に似た惑星となれば生命が存在する可能性も注目されますが、赤色矮星では恒星の表面で発生する爆発現象「フレア」が起きやすいことが知られています。強力なフレアは惑星上の生命を脅かすだけでなく、長期的には惑星の大気を剥ぎ取ってしまうことも考えられます。そのため、赤色矮星を公転する系外惑星の環境は、少なくとも地球型の生命にとっては住みにくい可能性が指摘されています。

研究グループは今回、赤色矮星のフレアが惑星に及ぼす影響を調べるために、高速で自転する恒星の光度曲線（時間の経過にあわせて変化する天体の光度を示した曲線）からフレアの発生した「緯度」を割り出す手法を開発。アメリカ航空宇宙局（NASA）の系外惑星探査衛星「TESS」の観測データからこの手法に適した4つの赤色矮星（自転周期は約2.7～8.4時間と短い）を選び出し、TESSによって捉えられた白色光フレア（可視光をともなう強力なフレア）の分析を行いました。

その結果、4つの赤色矮星で発生した長時間の白色光フレアは、緯度55～81度の比較的高緯度な領域で発生していたことが明らかになりました。研究グループによると、仮にフレアが恒星表面で均等に発生すると仮定した場合、これほど高緯度に偏って発生した4つのフレアを連続して発見する確率は、およそ1000分の1だといいます。

つまり、これらのフレアは偶然高緯度で発生したのではなく、もともと高緯度で発生しやすいのではないかというのです。研究グループによると、高速で自転する恒星ではフレアや黒点が高緯度の両極付近に現れる傾向がみられることが過去の研究において示されていたといいます。今回の成果はその証拠ともみなされており、研究に参加したAIPのKatja Poppenhaeger氏は「高速回転する星の磁場構造をより良く理解する上で役立つでしょう」とコメントしています。

■赤色矮星を公転する系外惑星の環境は従来の予想ほど厳しくはないかもしれない

前述のように、赤色矮星を公転する系外惑星は強力なフレアの影響を強く受ける可能性があるため、その環境は地球型の生命には厳しいのではないかと考えられています。しかし、高速で自転する赤色矮星の強力なフレアが赤道から離れた高緯度に偏って生じやすいとすれば、系外惑星に対するフレアの影響は限定的な範囲で済むかもしれません。

なぜかというと、系外惑星が赤色矮星の赤道面（天体の赤道が描き出す平面、自転軸に対して垂直）に沿った軌道を公転していた場合、フレアにともなって放出された粒子が系外惑星の方向には向かわないことになるからです。Ilin氏は「太陽系の惑星と同じように赤色矮星の赤道面上を公転する系外惑星は、惑星系の上下方向に面した強力なフレアの大部分から保護されるかもしれません」と語ります。

惑星は若い星を取り囲むガスや塵でできた円盤（原始惑星系円盤）のなかで形成され、その公転軌道面（公転軌道が描き出す平面）は恒星の赤道面に近くなると考えられています。たとえば、太陽系の惑星の公転軌道面は、太陽の赤道面に対してほぼ揃っています。

いっぽう、2020年に東京工業大学などの研究者らによって、「みずがめ座」の方向およそ40光年先にある赤色矮星「TRAPPIST-1」を公転する7つの地球サイズの系外惑星のうち、ハビタブルゾーンに位置するものを含む3つの惑星の公転軌道面が、TRAPPIST-1の赤道面に近いとする研究成果が発表されています。この研究では、低温・低質量な赤色矮星の周囲でも、太陽系と同じように恒星の赤道面に沿った公転軌道上に惑星が形成され、その後も軌道が大きく乱れない可能性が示されました。


【▲ 赤色矮星「TRAPPIST-1」（左端）と、その周囲を公転する7つの系外惑星を描いた想像図（Credit: NASA/JPL-Caltech）】

40光年先のTRAPPIST-1をはじめ、わずか4.2光年ほどしか離れていない「プロキシマ・ケンタウリ」や、約12.5光年先の「ティーガーデン星」など、太陽系に近い赤色矮星の周囲でもサイズが地球に近いと思われる系外惑星が見つかっています。最近では、約35光年先の赤色矮星「L 98-59」でも、ハビタブルゾーンに新たな系外惑星が存在する可能性が指摘されています。

こうした赤色矮星を周回する系外惑星の環境は、主星の自転周期、ハビタブルゾーンの範囲、公転軌道の傾きといった条件次第では、従来予想されていたほど厳しいものではないのかもしれません。

ただし、今回の研究で白色光フレアが発生した緯度が調べられたのは、4つの赤色矮星に限られます。研究グループでは、延長ミッションに入ったTESSによる2度目の全天観測データによって、さらに多くのフレアを対象に今回の手法を検証する機会が得られることに期待を寄せています。

Image Credit: AIP/ J. Fohlmeister

2021-08-10
Soraeより

アルマ望遠鏡がとらえた赤色超巨星ベテルギウス


アルマ望遠鏡がとらえたベテルギウス。一辺は1.2秒角（＝3000分の1度）（提供：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/E. O'Gorman/P. Kervella）

アルマ望遠鏡が電波で観測した、赤色超巨星ベテルギウスの画像が公開されました。

オリオン座のベテルギウスは地球から約600光年の距離にある赤色超巨星です。現在知られている最大級の恒星のうちの一つで、半径は太陽の1400倍（ミリメートル波長で観測した場合）にも達します。

ベテルギウスの年齢はほんの約800万歳ですが（太陽は46億歳）、すでに一生の終末期に差し掛かっており、天文学的な時間スケールで言えば間もなく超新星爆発を起こすと考えられています。ひとたび爆発が起これば、その姿は昼夜を問わず地球から見えるようになるでしょう。

これまでにベテルギウスは可視光線や赤外線、紫外線など様々な波長で観測されてきました。ヨーロッパ南天天文台の超大型望遠鏡による観測では、星の表面から噴出したガスが太陽系とほぼ同サイズにまで広がっていることや、星の表面の巨大な泡構造も発見されています。これらの発見から、ガスと塵がどれほど激しく大量に星から放出されているかを調べることができます。

アイルランド・ダブリン高等研究所のE. O'Gormanさんたちは今回、ベテルギウスをアルマ望遠鏡で観測しました。アルマが恒星の表面を観測したのは初めてのことで、非常に高解像度でとらえられています。

アルマによるサブミリ波の観測では、ベテルギウスの大気中の彩層のうち下層にある高温のガスがとらえられています。ガスによって局所的に温度が上昇しており、それを反映しているためベテルギウスの像は非対称な形になっています。

2017年6月30日
AstroArtsより