小型望遠鏡で捉えた太陽系最果てにある小天体の影

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2019-01-29 国立天文台

図:今回発見された小天体の想像図。今回発見された小天体の想像図。半径約1.3キロメートルで、惑星の材料が生き残ったものと考えられる。 オリジナルサイズ(1.8MB)

太陽系の最果てにある極小サイズの天体が、背景の恒星を隠す現象が捉えられました。大型望遠鏡をもってしても直接観測することが不可能な現象を、市販の小型望遠鏡でキャッチし、極小天体の発見につながったのです。この発見は、いまだに謎の多い太陽系の誕生時の姿を知るための大きな手掛かりとなります。

太陽系で最も太陽から遠い惑星である海王星の外側には、地球を始めとする惑星を作る材料になった半径1キロメートルから10キロメートルほどの小天体が、惑星への成長過程からとり残された結果、現在も存在していると予測されてきました。しかしこのサイズの小天体はあまりに暗く、すばる望遠鏡などの大型望遠鏡を使っても直接観測することはできませんでした。

元国立天文台研究員で、現在は京都大学所属の有松亘(ありまつ こう)研究員を中心とする研究グループは、このような小天体を、まったく別の方法で確認する観測を実施しました。市販の口径28センチメートルの望遠鏡に高速ビデオカメラを装着し、多数の恒星を記録するのです。研究グループは、沖縄県宮古島市に設置した2台のシステムで同じ領域を同時に観測し、2000個の恒星を60時間にわたってモニターしました。その結果、ある一つの恒星が0.2秒間だけ暗くなったところが捉えられました。詳しく解析した結果、この現象は、地球から約50億キロメートル離れたところにある半径およそ1.3キロメートルの極めて小さな天体が、恒星の前を通りその光を遮ったことで起きたのだと分かったのです。

今回の発見から、このサイズの天体の数はこれまでの観測から推定されていたよりも100倍ほども多いと推定されました。今後も同じような観測を続けることで、惑星の材料となった小天体の分布が明らかになるとともに、さらに遠くにあるオールトの雲に存在するであろう小天体が発見される可能性も期待されます。太陽系の成り立ちに迫る、たいへん興味深い成果です。

この研究成果は、K. Arimatsu et al. ‘A kilometre-sized Kuiper belt object discovered by stellar occultation using amateur telescopes’ として、2019年1月28日発行の英国の科学雑誌『Nature Astronomy』オンライン版に掲載されました。

詳しい解説

⾃然科学研究機構 国⽴天⽂台 ,京都⼤学, 東北⼤学 ,神⼾⼤学 ,京都産業⼤学

史上初、太陽系の果てに極めて⼩さな始原天体を発⾒
―宮古島の⼩さな望遠鏡が太陽系誕⽣の歴史と彗星の起源を明らかに―

●研究成果のポイント
*地球から約 50 億 km 離れた太陽系の果て「エッジワース・カイパーベルト」に、太陽系最古の始原天 体「微惑星」の⽣き残りと考えられる半径約 1km の⼩天体を史上初めて発⾒(図 1a, 図 2)。
*こうした天体は巨⼤望遠鏡を⽤いても⼩さく暗すぎて観測不可能だったが、宮古島に設置した超低コ ストな⼩型望遠鏡(図 1b)を⽤いて掩蔽(えんぺい)という天⽂現象を検出し、観測に成功。
*今回の発⾒は、⼩さなサイズの始原天体が現在の太陽系の果てに⼤量に⽣き残っており、それらが彗 星の起源になっていることを⽰唆する初の観測結果である。

●発表概要
京都⼤学の有松 亘(ありまつ こう)研究員1 )を中⼼とする研究グループは、沖縄県宮古島市にて実施 した⼩型望遠鏡を⽤いた観測によって、太陽系外縁部「エッジワース・カイパーベルト」に惑星の形成 材料である始原天体「微惑星」の⽣き残りと推定される極めて⼩さなサイズ(半径およそ 1km)の天体 を史上初めて発⾒しました。今回発⾒されたサイズの天体は太陽系外縁部に⼤量に分布していると推定 され、彗星の供給源として 70 年以上前から存在が予⾒されていましたが、すばる望遠鏡などの巨⼤望 遠鏡を⽤いても直接観測が不可能だったため発⾒例がありませんでした。
本研究成果は 2019 年 1 ⽉ 28 ⽇(⽇本時 1 ⽉ 29 ⽇)発⾏の英国の科学専⾨誌『Nature Astronomy』 オンライン版に掲載されました。

1 )元国⽴天⽂台研究員


[図 1] (a)本研究によって史上初めて発⾒された、微惑星の⽣き残りと推定される半径約 1.3km の⼩型カイパー ベルト天体の想像図。(b)巨⼤望遠鏡でも直接観測不可能な⼩型カイパーベルト天体を発⾒した宮古島の⼝径 28cm ⼩型望遠鏡(OASES 観測システム) Credit: Ko Arimatsu

●研究背景
地球を含む太陽系の惑星は、太陽系誕⽣時に⼤量に存在した半径 1-10km 程度のサイズ(以下、キロ メートルサイズ)の⼩天体「微惑星」が、衝突・合体を繰り返して現在の⼤きさまで成⻑したと考えら れています。こうした微惑星の⼀部は成⻑過程から取り残され、約 46 億年経過した現在においても、 海王星より遠⽅の太陽系の果て「エッジワース・カイパーベルト」(以下、カイパーベルト)という領域 に⽣き残っていると予⾒されてきました。太陽系の遠⽅からしばしばやって来る彗星は、こうしたカイ パーベルトなどに⼤量に存在するキロメートルサイズの微惑星が供給源であると⾒込まれています。し かし約 70 年前にこのカイパーベルト仮説が提唱されてから現在まで、こうしたサイズのカイパーベル ト天体の発⾒例はありませんでした。キロメートルサイズのカイパーベルト天体は⾒かけの明るさがあ まりに暗く、すばる望遠鏡やハッブル宇宙望遠鏡のような最先端の望遠鏡を⽤いても直接観測は不可能 だったのです2 )。

2) 現在までに約 2000 個のカイパーベルト天体が発⾒されていますが、いずれも半径およそ 10km 以上のサイズを持っ た⽐較的⼤きな天体です。こうした既知のカイパーベルト天体はキロメートルサイズの微惑星と⽐較して、衝突合体を 経てより成⻑した天体であると考えられます

[図 2] 今回発⾒されたカイパーベルト天体(半径およそ 1.3km)の想像図と、主要なカイパーベルト天体との ⼤きさの⽐較。図中では直接観測によって発⾒された既知のカイパーベルト天体の中で最⼤級のサイズを持つ 冥王星(半径 1185km)および最⼩クラスのサイズを持つ「2014 MU69」(ニューホライズンズが探査した天 体、⻑径およそ 30km)を⽐較対象に⽰す。いずれの天体も今回発⾒されたような微⼩な天体が衝突・合体を経 て成⻑した姿であると推定される Credit: 冥王星: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute/Ian Regan を改変, 2014 MU69: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute を改変, その他: Ko Arimatsu

●研究内容および研究成果
最先端の望遠鏡を⽤いても直接観測不可能なキロメートルサイズのカイパーベルト天体を、我々の研 究グループは掩蔽(えんぺい)と呼ばれる天⽂現象を利⽤し(図 3a)、市販の⼝径 28cm 望遠鏡という ⼩さな望遠鏡で発⾒することに成功しました。掩蔽とは観測者から⾒て前⽅の天体が後⽅の天体の⼿前 を通過し、後⽅の天体から届く光を遮る現象です。天球上を移動しているカイパーベルト天体はときお り背景の恒星の⼿前を通過して、0.5 秒間だけ掩蔽を起こします。よって恒星を動画で観測し続け、と きおり発⽣する掩蔽による明るさの変化を観測できれば、直接観測できないカイパーベルト天体を発⾒ できます。
我々の研究グループは掩蔽観測を実現する専⽤の観測システムを 2 台開発しました(図 1b)。極めて 限られた予算枠で開発を実現するため、この観測システムは開発コストのかからない既製品の⼩型光学 系(⼝径 28cm 反射屈折望遠鏡など)と、速いデータの読み出しが可能で、星空を動画で撮影できる CMOS ビデオカメラによって構成されています。コストカットの結果、本観測システムは競合する国際 プロジェクト3) と⽐較しておよそ 300 分の 1 という破格の開発費(総額約 350 万円)で開発に成功しま した。今回の観測では観測地として、空の暗さや⼤気のゆらぎが⼩さいといった条件が⾼感度な動画観 測に好適であると判断し、沖縄県宮古島市を選定しました。2 台の観測システムを沖縄県宮古島市にあ る「沖縄県⽴宮古⻘少年の家」施設屋上に設置し、2016-2017 年の夏季に断続的に星空の動画モニタ観 測を実⾏しました。2 台の望遠鏡は⼀度に観測できる恒星の数が多い天の川の中にあり、かつカイパー ベルト天体の数が多い⻩道4) 近くにあるいて座の領域に向け、約 4 平⽅度5) の視野内の約 2000 の恒星を 約 60 時間観測しました。得られた動画データを解析した結果、視野内にある 12 等の⾒かけの明るさを 持つ恒星が、2016 年 6 ⽉ 28 ⽇ 21 時 56 分(⽇本時)に約 0.2 秒間だけ最⼤約 80%減光しているのを 発⾒しました(図 3b および c)。この明るさの変化は 2 台の観測システムで同時に観測されており、雲 による遮蔽などの影響では説明できません。詳細な解析の結果、この恒星の明るさの変化は地球から約 50 億 km 離れた半径およそ 1.3km のカイパーベルト天体による掩蔽によって説明できることがわかり ました。
今回の発⾒から、カイパーベルトに存在する半径 1km 以上のサイズを持った天体の個数密度が初め て観測的に明らかになりました(図 4)。その結果、キロメートルサイズ天体の個数密度は、これまでの 直接観測によって把握できていた⼤きな(半径 10km 以上)天体のサイズ分布から外挿した予想値と⽐ べて、およそ 100 倍多く存在していることが判明しました。これは太陽系誕⽣時にキロメートルサイズ まで成⻑した微惑星が惑星の材料となり、その⼀部が約 46 億年経過した現在においてもカイパーベル トに⼤量に存在しているという理論予想と⼀致した結果です。さらに今回の発⾒により、キロメートル サイズのカイパーベルト天体の個数密度が彗星の⼀グループである⽊星族彗星6) の供給源として⼗分な ⼤きさであることが初めて確認されました。これはカイパーベルト天体が彗星の供給源の⼀つであるこ とを⽰唆する初めての観測結果です。

3) TAOSII(台湾、アメリカ、メキシコ、カナダのチームによる掩蔽観測計画。総開発費約 1000 万⽶ドル(およそ 10 億 円))
4) 地球から⾒た太陽の通り道。カイパーベルト天体を含め多くの太陽系天体は⻩道の近くを運⾏している
5) 空の領域の広さの単位。1 平⽅度は⾓度 1 度の⻑さを⼀辺とする正⽅形の領域の広さ(およそ満⽉ 5 個分)に相当
6) 彗星のうち短い周期で太陽を公転しており、かつ軌道が⻩道に対して⼤きく傾いてないものを指す


[図 3]「掩蔽」のしくみ(a)と今回の研究で 発⾒された掩蔽のようす(b および c) (a)本研究で利⽤した掩蔽のしくみ (b)今回の研究で発⾒された掩蔽時の恒星 (いて座に位置する 12 等星)の画像(2016 年 6 ⽉ 28 ⽇に取得した動画データから切り 抜き)。⽐較のために掩蔽前後の同じ恒星の 画像も⽰している (c)今回の研究で発⾒された掩蔽の際の恒 星の明るさの時間変化を⽰したグラフ。観測 値を⽩点で、観測値に最もよく⼀致するシミ ュレーション結果を⽩線で⽰している。今回 のような極めて遠⽅で⼩さい天体による掩蔽 の場合、観測者からみて天体の前⽅に「回 折」と呼ばれる光の回り込みが発⽣するの で、掩蔽中でも恒星の光は完全に遮られな い。明るさの変化のパターンは天体の距離と サイズに依存する。観測された恒星の明るさ の変化のパターンは距離約 50 億 km 離れた 半径 1.3km の天体による掩蔽シミュレーショ ン結果と⼀致する。 Credit: Ko Arimatsu

●本研究成果の意義
本研究は現代の観測天⽂学分野においては異例の⼩規模かつ超低予算なプロジェクトながら、研究者 のアイデアの積み重ねによって、巨⼤望遠鏡でも全く⻭が⽴たなかった太陽系の果てにある⼩さな始原 天体の発⾒に史上初めて成功しました。今後も掩蔽を⽤いた観測を続けることで、これまで未開の世界 であったサイズの⼩さいカイパーベルト天体の特性がより詳細に明らかになり、惑星の形成プロセスや 彗星の供給過程が解明されることが予想されます。さらに掩蔽を通して、カイパーベルトの先に存在す ると仮定されていながら観測する⼿段の全くなかった太陽系の最果て、「オールトの雲」の天体を史上 初めて発⾒することが期待されます。
「太陽系はどこまで広がっていて、その果てには何があるのか?」、私たちはこの究極的な問いに答え る術(すべ)を⼿に⼊れ、太陽系の果てに“隠されてきた”事実を暴き出し始めたのです。


[図 4] 今回明らかになったカイパーベルト天体の個数密度を表⽰したサイズ頻度分布。横軸は天体の半径、縦 軸は天球上の 1 平⽅度あたりの累積個数(その半径より⼤きな天体の総数)を⽰す対数グラフである。本グラ フはある半径以上のサイズを持ったカイパーベルト天体が、夜空の限られた領域に何天体あるのかを⽰す。誤 差棒つきの⾚点が今回の発⾒で得られた個数密度。過去の観測(橙点)のない半径約 1-10km のサイズ領域の 個数密度を史上初めて解明した。⻘実線は直接観測によって解明された半径約 10km より⼤きな天体のサイズ 分布で、⻘破線は外挿値を⽰す。緑線は初期の太陽系外縁部に半径 0.4-4km の微惑星が存在していた場合の衝 突進化シミュレーション結果から得られたサイズ分布モデル(Schlichting et al. 2013)の⼀例。半径 1-10km 付近に⾒られる不連続な折れ曲りが⽣き残った微惑星による個数密度の超過に相当し、今回の観測結果と整合 する。灰⾊の横線および領域は⽊星族彗星(彗星の⼀グループ)の供給源として必要な個数密度を主要な軌道 進化モデルごとに表⽰。今回の発⾒で得られた個数密度は⽊星族彗星の供給源として⽭盾しない結果となって いる。 Credit: Arimatsu et al. Nature Astronomy (2019) を改変

本研究は⽇本学術振興会科学研究費助成事業(科研費) No. JP26247074, 15J10278, 15J10864, 26800112, 16K17796, 18K13584 および 18K13606 の補助を受けて⾏われました。また本研究は沖縄 県⽴宮古⻘少年の家をはじめとして、宮古島市在住の皆さんの協⼒を得て実現しました。

●研究論⽂情報
本研究成果は 2019 年 1 ⽉ 28 ⽇(⽇本時 1 ⽉ 29 ⽇)発⾏の英国の科学専⾨誌『Nature Astronomy』 オンライン版に掲載されました。論⽂の詳細な情報は以下のとおりです。
*題⽬: “A kilometre-sized Kuiper belt object discovered by stellar occultation using amateur telescopes”
*著者および所属:
有松 亘   国⽴天⽂台/京都⼤学
津村 耕司  東北⼤学
⾅井 ⽂彦  神⼾⼤学
新中 善晴  国⽴天⽂台/京都産業⼤学
市川 幸平  東北⼤学/コロンビア⼤学/テキサス⼤学サンアントニオ校
⼤坪 貴⽂  宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所
⼩⾕ 隆⾏  ⾃然科学研究機構 アストロバイオロジーセンター/国⽴天⽂台
和⽥ 武彦  宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所
⻑勢 晃⼀  宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所
渡部 潤⼀  国⽴天⽂台
*DOI: 10.1038/s41550-018-0685-8

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