すばる望遠などを用いた多波長観測により、若い星系に飛来した天体が原始惑星系円盤を乱す様子が明らかにされました。星系への「侵入者」が原始惑星系円盤に作用する様子を包括的に調べた観測は本研究が初めてです。私たちの太陽系の歴史にも重要な示唆を与える成果です。

この天体飛来現象は、地球から約 3700 光年先の若い連星系「おおいぬ座Ｚ星」(Z CMa) で発見されました (図１)。すばる望遠鏡などによる赤外線の観測では、連星系を取り囲む原始惑星系円盤とその中で細長く伸びた尾のような構造が観測されています (ハワイ観測所 2016年観測成果)。アルマ望遠鏡により、この「尾」の先、連星からは約 5000 天文単位 (太陽-地球間距離の 5000 倍) の位置に、新たな天体が発見されました。

天体同士の遭遇が起こると、円盤の形態に渦や歪み、隙間など、フライバイの痕跡といえるような変化が起こります。今回、科学者たちは Z CMa の円盤を注意深く観察することで、フライバイによる複数の痕跡を特定しました。

これらの痕跡は、天体飛来を検証するのに役立っただけでなく、その「訪問」が Z CMa とその星系で生まれる惑星の未来に何を意味するかを考えるきっかけにもなりました。フライバイ現象は、Z CMa の周りに長い「尾」が作られたように、惑星誕生のゆりかごである原始惑星系円盤を劇的に変化させることができるのです。さらに中心星への影響も考えられます。Z CMa では円盤から突発的にガスが降り積もることによる中心星の爆発的な増光現象が知られていますが、これは飛来天体が円盤を乱したことにより促進されているのかもしれません。結果として、星系全体の発達にもまだ観測されていないような影響を与える可能性があります。

本研究を率いた Ruobing Dong 博士 (ビクトリア大学) は、銀河系全体の若い星系の進化と成長を研究することは、私たちの太陽系の起源をより理解するためにも役立つと指摘します。「このような事象を研究することで、私たちの太陽系がどのように発展してきたのか、過去の歴史を知ることができます。新しく形成された星系でこのような現象が起こるのを見ることで、「ああ、これは私たちの太陽系でずっと昔に起こったことかもしれない」と言うのに必要な情報を得ることができるのです」

「Z CMa は不思議な変光を示す天体として昔から注目されていましたが、このような姿をしているとは驚きでした」と語るのは共同研究者の田村元秀教授 (東京大学/自然科学研究機構アストロバイオロジーセンター) です。「すばる、ALMA、VLAという多波長でのシャープな観測と最新の理論研究が連携することで、生まれたばかりの星で起こった珍しい飛来現象を見事に捉えることができました」

詳細は、米国国立電波天文台 (NRAO) のプレスリリース記事 (英語) をご参照ください。


本研究成果は、Nature Astronomy (2022年1月13日付) に掲載されました (Ruobing Dong et al. “A likely flyby of binary protostar Z CMa caught in action“)。

すばる望遠鏡について
すばる望遠鏡は自然科学研究機構国立天文台が運用する大型光学赤外線望遠鏡で、文部科学省・大規模学術フロンティア促進事業の支援を受けています。すばる望遠鏡が設置されているマウナケアは、貴重な自然環境であるとともにハワイの文化・歴史において大切な場所であり、私たちはマウナケアから宇宙を探究する機会を得られていることに深く感謝します。

■関連リンク

• ALMA catches “intruder” redhanded in rarely detected stellar flyby event (NRAO 2022年 1月13日 プレスリリース)
• すばる望遠鏡　２０２２年１月１３日プレスリリース

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概要

アストロバイオロジーセンター/国立天文台/東京工業大学の研究者を含む国際研究チームは、２つの惑星と伴星を持つ太陽系外惑星K2-290をすばる望遠鏡などで観測し、惑星がK2-290の自転方向と逆向きに公転していることを明らかにしました。

太陽系外の惑星系では，太陽系とは異なり，惑星の公転方向（または公転軸）が中心星の自転方向（自転軸）と大きくずれている系が多く存在することが観測的に知られていました。このような惑星の軌道と恒星の自転方向のずれを引き起こす原因として，惑星同士の重力散乱や近くの恒星の重力の影響など様々なメカニズムが提案されていましたが，これまではっきりしたことは分かっていませんでした。

今回観測されたK2-290は，軌道面がそろった２つの系外惑星を持つ恒星ですが，すばる望遠鏡を含む観測によってその２つの惑星の公転方向は中心星の自転方向と逆行していることが明らかになりました。一方，K2-290は以前すばる望遠鏡の高解像度撮像観測によって，伴星（惑星系の外側の質量の小さな恒星）がまわっていることが確認されていました。これらの事実を踏まえて数値計算を行ったところ， 惑星が形成された原始惑星系円盤が伴星の重力によって傾き，最終的に反転して逆行惑星が形成された可能性が高いことが判明しました。このように惑星が形成される時期に伴星によって円盤面が大きく変化したという証拠が確認されたのは今回が初めてのことです。

詳細はこちら：

すばる望遠鏡　プレスリリース

オーフス大学　プレスリリース

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概要

アストロバイオロジーセンターの研究者を含む、国立天文台の塚越崇特任助教らの研究グループは、若い星うみへび座TW星を取り巻く塵とガスの円盤（原始惑星系円盤）を観測し、円盤内で惑星が作られつつある強い証拠を発見しました。円盤内に、これまで発見されていなかった小さな電波源が存在することを明らかにしたのです。研究グループは、この電波源が (1) すでに形成されつつある海王星サイズの惑星を取り巻く「周惑星円盤」、(2)円盤内で生まれたガスの渦に溜まった塵で今後惑星になりうる構造、のいずれかだと考えています。どちらの場合も円盤内で惑星が成長していく重要な現場を見ていることになり、惑星形成の過程を理解する重要な観測成果です。

研究背景

　近年、太陽以外の恒星の周りで、多様性に富む多くの惑星が発見されています。惑星は、若い恒星を取り巻く塵とガスの円盤（原始惑星系円盤）の中で生まれると考えられています。しかし、惑星が具体的にどのように周囲の物質を取り込んで成長していくかなど、その誕生と成長過程の詳細には未解明な点が多く残されています。天文学者たちは、原始惑星系円盤を詳しく観測することで、惑星がどのように生まれてくるのかを調べようとしています。

　では、原始惑星系円盤の中で、惑星はどのように作られるのでしょうか？原始惑星系円盤には最初、数マイクロメートルから数ミリメートルの微小な塵が存在しています。その塵は時間とともに合体・成長していき、いずれ微惑星と呼ばれる岩石の塊となります。これが惑星の種となります。そうして作られた岩石の塊は、自身の重力によって周りの塵やガスを取り込みながら成長し、最終的に惑星になります。その際、取り込まれゆく物質は惑星の周囲を回転する円盤状の構造を作ることが、理論的な計算から予言されています。この円盤状構造を、周惑星円盤と呼びます。その大きさは、原始惑星系円盤全体の大きさのおよそ1%程度と、非常に小さなものだと考えらえています。

　『原始惑星系円盤内で形成されている周惑星円盤』を見つけることは、惑星系形成過程の研究にとって重要なテーマの一つです。しかしながら、これまでの観測では、周惑星円盤を見出すには至っていません。近年のアルマ望遠鏡による観測で、原始惑星系円盤内で塵が集まっている様子が発見されてきましたが(注1)、これらは周惑星円盤と考えるには大きすぎます。

アルマ望遠鏡による高解像度・高感度観測

塚越崇 国立天文台特任助教らの研究チームは、惑星誕生の詳細なプロセスを調べるため、アルマ望遠鏡を使って若い星うみへび座TW星を観測しました。うみへび座TW星の年齢は、およそ1000万歳と見積もられています。地球から194光年の距離にあり、このような若い恒星の中では最も太陽系に近くにあります。また、太陽と同じくらいの重さの恒星であることから、私たちの太陽系の起源を知る手がかりになる天体として、これまで多くの観測が行われてきています。

　うみへび座TW星の周囲に原始惑星系円盤が存在することは、これまでの観測からよく知られています。原始惑星系円盤に含まれる塵やガスはマイナス250℃程度と極めて低温であるため可視光を発しません。一方で電波は低温の物質からも発せられるため、電波をとらえることのできるアルマ望遠鏡で盛んに観測されてきました。その結果、円盤は複数の隙間を持つ構造をしていることがわかっています(注2)。円盤は中心を軸にして対称な構造をしており、形成中の惑星に付随する周惑星円盤のような小さな構造はこれまで見つかっていませんでした。

観測結果

今回の観測では、これまで行われてきたアルマ望遠鏡による観測に比べておよそ3倍という非常に高い感度を達成しており、円盤内のより詳細な電波強度分布を描き出すことに成功しました。

　その結果、原始惑星系円盤内にこれまで見つかっていなかった、小さな電波源がひとつだけ発見されました。円盤の南西側、原始惑星系円盤の中心から52天文単位（注3）の位置に、周囲に比べて1.5倍ほど電波が強くなっている場所があったのです。電波源は円盤の回転方向にわずかに伸びており、長さ4天文単位程度、幅は1天文単位程度です。原始惑星系円盤内にこのような微小な電波源が見出されたのは、今回が初めてです。

　この小さな電波源の正体は、何でしょうか？主な可能性としては二つ挙げられます。

　一つの可能性は、周惑星円盤です。今回発見された構造の大きさから、もしこれが周惑星円盤だとすると、その中心には海王星質量程度の惑星がすでに形成されていると考えられます。

　実は、うみへび座TW星から 52天文単位離れた場所には、木星質量程度の重い惑星は存在しないだろうということが、これまでの観測からわかっていました。その理由の一つは、赤外線の観測です。原始惑星系円盤中の重い惑星は、周囲の原始惑星系円盤のガスを集めることにより、赤外線で明るく輝きます。しかしこれまでの観測で、そのような赤外線の点源は確認されていません。もう一つの理由は、中心の星から 52天文単位の位置に、円盤の隙間が見られないことです。重い惑星は、周囲の原始惑星系円盤に重力をかけることにより隙間を作ると考えられていますが、これまでの観測では、そのような構造は見つかっていません。

　以上の事実から、この円盤の中に木星質量程度の重い惑星は存在しないと考えられていますが、海王星質量程度の軽い惑星が存在するかどうかについては、観測の感度の限界により、まだ何も言えない状況でした。今回、アルマ望遠鏡の高い感度と解像度を活かして弱い電波放射を捉えたことで、より軽い惑星が存在する可能性を明らかにすることができました。

　しかし一方で、観測された電波強度は海王星サイズの惑星を取り巻く周惑星円盤と考えるにはやや強すぎる、という問題があります。また、周惑星円盤であれば惑星を中心とした円形であると想定されますが、観測された電波源の形は楕円形でした。そこで、小さいガス渦に溜まった塵が電波源の正体である、という可能性も考えられます。地球上で高気圧や低気圧が発生するように、原始惑星系円盤内でも局所的に渦を巻く流れがたくさん存在すると考えられており、そこに塵が掃き集められて溜まるのです。これは、塵が合体して惑星になる最初期段階として重要な構造といえます。理論的には、渦にとらえられた塵は楕円状に広がると予言されていて、今回の観測によって見出された電波源の構造とよく一致します。一方、そのような小規模の高気圧が、原始惑星系円盤内にひとつだけ存在することは少し不自然です。

このように、「周惑星円盤説」と「ガス渦説」のどちらを取っても観測と一致する部分と不自然な部分があり、今回の研究ではその正体を突き止めることができませんでした。しかし、周惑星円盤であったとしても渦にとらえられた塵であったとしても、惑星形成のプロセスの重要な部分を初めてピンポイントに観測できたという点で、今回の研究は大変大きな意義があります。

今後の研究への発展

今回発見された小さな電波源の正体を明らかにするため、研究グループは、形成中の惑星の兆候をより直接的に捉えることを目指しています。塚越氏は、「形成中の惑星は周囲の物質を取り込む際に温度が高くなるため、周惑星円盤の内縁が特に温められます。アルマ望遠鏡を使ったより高い解像度の観測を行うことで、今回発見された電波源の内部の温度分布を明らかにし、その中心に惑星があるかどうかを確かめたいと考えています。またすばる望遠鏡などを使って、惑星の周囲にある水素が高温になった時に放つ光を観測する準備も進めています。」と語っています。

脚注：

注1：たとえば、若い星MWC758の周囲には三日月状や渦巻き状に集まった塵が発見されています。（参考：2018年6月21日発表の研究成果「多彩な構造を持つ惑星誕生現場 ―若い星MWC 758 の高解像度観測」）

注2：2016年3月31日発表の研究成果「地球に似た軌道を持つ惑星の誕生現場を若い星のまわりで初めて観測」や、2016年9月14日発表のプレスリリース「巨大氷惑星の形成現場を捉えた—アルマ望遠鏡で見つけた海王星サイズの惑星形成の証拠—」などを参照のこと。

注3：1天文単位は地球と太陽の間の平均距離で、およそ1億5000万キロメートルに相当します。52天文単位は、太陽系の海王星軌道半径の約1.7倍に相当します

論文・研究チーム：

この観測成果は、T. Tsukagoshi et al. “Discovery of an au-scale excess in millimeter emission from the protoplanetary disk around TW Hya”として、天文学専門誌「アストロフィジカル・ジャーナル・レターズ」に2019年6月10日に掲載されました。

今回の研究を行った研究チームのメンバーは、以下の通りです。

塚越崇（国立天文台）、武藤恭之（工学院大学）、野村英子（国立天文台/東京工業大学）、川邊良平（国立天文台/総合研究大学院大学/東京大学）、金川和弘（東京大学）、奥住聡（東京工業大学）、井田茂（東京工業大学）、Catherine Walsh（リーズ大学）、Tom J. Millar（クイーンズ・ユニバーシティ・ベルファスト）、高橋実道（国立天文台/工学院大学）、橋本淳（アストロバイオロジーセンター）、鵜山太智（カリフォルニア工科大学/東京大学/国立天文台）、田村元秀（東京大学/アストロバイオロジーセンター）

この研究は、日本学術振興会科学研究費補助金（No. 17K14244, 17H01103, 18H05441, 19K03932）、STFC（ST/P000321/1, ST/R000549/1）の支援を受けて行われました。

関連リンク：

国立天文台プレスリリース

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すばる望遠鏡に搭載された新しい観測装置が、若かりし頃の太陽系に似ていると考えられる惑星系を持つ恒星 LkCa 15 の原始惑星系円盤を、これまでで最も鮮明に写し出すことに成功しました。この恒星は木星よりも質量が大きい形成途中の３つの惑星候補を持つと考えられていました。今回、すばる望遠鏡に搭載された極限補償光学装置 SCExAO と面分光装置 CHARIS の組み合わせにより、これまで惑星から発せられていると考えられてきた光のほとんどが、実は原始惑星系円盤からのものだったことがわかりました。また、円盤の中に隠れている惑星は、従来考えられてきたものよりもさらに質量が小さい可能性があることが判明しました。

「この『若い太陽系』とも言える LkCa 15 の惑星系には、我々の太陽系に似た部分がこれまで考えられてきたよりも多いことを、SCExAO の鮮明な画像が示しています」と、論文主著者である Thayne Currie さん (NASA エイムズ研究センターおよび国立天文台ハワイ観測所) は語ります。

若い太陽型星である LkCa 15 は、惑星の材料となるガスや塵でつくられた原始惑星系円盤を持ちます。これまでの研究から、この円盤には大きな隙間があることが知られていました。そしてこの隙間は、塵が集まった「若い惑星」が円盤の中で形成されていることを物語っています。

しかし、この地球から 500 光年以上離れた距離にある LkCa 15 の周りを回る惑星を、太陽系と同じようなスケールで地上から直接捉えるには、地球の大気ゆらぎの影響を補正する補償光学を持ったすばる望遠鏡のような大望遠鏡であっても非常にチャレンジングなことです。これまで、開口マスキング干渉法と呼ばれる最先端技術を基にした観測結果から、３つの惑星候補天体が土星から海王星の軌道を回っていると考えられており、これが円盤内にある太陽系外惑星として初めて認識されたものでした。しかしこの観測方法では、塵の円盤による散乱光に比べ、惑星からの光がどれくらい来ているのかを実際に判断するのは特に難しいという点がありました。

すばる望遠鏡に搭載された SCExAO は、一般的な補償光学装置よりも高速で高感度なカメラと 2000 素子もの可変形鏡の組み合わせを用いることで、地球の大気ゆらぎの影響をより高度に補正し、そのままではぼやけて見えてしまう星像をより鮮明に映し出すことが可能です。さらに CHARIS と呼ばれる面分光装置に光を送ることで、天体から来る光の「色」の場所ごとの違いを高い解像度で直接見分けることができるため、惑星の大気成分などを詳しく調べることも可能です。

「SCExAO/CHARIS は、我々の太陽系スケールに似た惑星を今まで以上に直接探査することができ、その性質までも明らかにすることが可能です」と、SCExAO 装置開発責任者である Olivier Guyon さん (国立天文台ハワイ観測所) は話します。

今回、SCExAO/CHARIS のデータは、LkCa 15 の周囲から来る光の大部分が、広がった弧のように見える円盤部分で発せられたものであることを示し、以前に示唆されていた惑星候補と同じ明るさを持っていることもわかりました。ケック望遠鏡を使った追観測からも、この円盤の弧の形状が時間とともに変化していないことが確認できました。つまり、これまで軌道を回っている惑星からのシグナルと思われていた光は、円盤のような動きのない構造とよく一致することがわかったのです。

「LkCa 15 の惑星系はかなり複雑です。今回の観測以前に取得された開口マスキング干渉法による撮像データにより、私達も３つの木星型惑星が存在するだろうと考えていました。しかし、SCExAO/CHARIS によるデータは、これまでのシグナルは円盤本体から来ているものであることを示しており、惑星自身は、より暗く、円盤内に隠されている可能性が高いことを示すものです。我々は今後もその隠れている惑星探査に挑戦していきます」と Currie さんは語っています。

LkCa 15 の円盤と、その円盤に隠された惑星からの光をはっきりと区別して見分けるのはかなり難しい挑戦になるでしょう。しかし、技術的には確実に前進しており、SCExAO は今後も改良を継続していく予定です。近い将来には、LkCa 15 の円盤に存在する土星軌道近くの木星型惑星を捉えることができるかもしれません。また、さらにその先の未来には、建設予定の 30 メートル望遠鏡 TMT に SCExAO で成功した技術を搭載することで、より低質量で火星軌道近くを回る暗い惑星をも撮像できるようになるでしょう。

「SCExAO のような最先端の撮像装置がもたらす観測結果は、私達の太陽系が辿ってきた歴史が普遍的なものであるのか、それとも特別なものなのか、といった惑星系の起源と進化をよりよく理解するための糸口になります」と、論文共著者である田村元秀さん (自然科学研究機構アストロバイオロジーセンター所長・教授) は話しています。

本研究成果は、米国の天体物理学誌『アストロフィジカル・ジャーナル・レターズ』に受理されました (Currie et al., “NO CLEAR, DIRECT EVIDENCE FOR MULTIPLE PROTOPLANETS ORBITING LKCA 15: LKCA 15 bcd ARE LIKELY INNER DISK SIGNALS“)。また本研究は、NASA、ケック財団、チリ国立科学研究開発基金、および日本学術振興会科学研究費補助金 JP18H05442、JP15H02063 による援助を受けています。

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