2008/9/10 天文学会記者会見予定 解説資料

宇宙にはどれほど冷たい星があるのか?

〜摂氏280度の星を含む多数の低温褐色矮星の発見〜

【概要】

恒星の表面温度(有効温度)を特徴づけるスペクトル型は、摂氏温度約5万度の高温から2,200度の低温にわたって、O型〜M型という分類 (太陽はG型)が長年にわたって用いられてきましたが、1995年の褐色矮星の発見を契機として、より低温の系列(L型星、T型星)が確立されました。褐色矮星は、恒星と異なり水素燃焼しない天体であるため、生まれてから時間が経つにつれ、冷えてしまう低温天体です。そして、現在行われている広域赤外線探査(UKIDSS:ユーキッズ)では、以前よりも10倍以上感度の高い探査観測によって、さらに低温の星の開拓が可能となりました。

国立天文台を含む日英等から成る研究チームは、UKIDSSデータから超低温天体候補を精選し、そのスペクトルから大気温度を推定し、「宇宙にどれほど温度の低い星があるかどうか」の探査を、すばる望遠鏡やジェミニ望遠鏡を用いて進めています。その結果、これまでに計28個ものT型星(摂氏1,200度以下)を発見し、探査手法が非常に有効であることを示しました。さらに、(惑星を除くと)これまでで最も低温(摂氏約280度)の星を発見することにも成功しました。

【解説】

現代の天文学の最重要課題としては、より軽い太陽系外惑星の探求としての「地球型惑星探査」と、より遠い銀河を求める「宇宙最初の銀河の探査」が良く知られています。それと同様に『より温度の低い星』の探査は天文学における自然な興味の展開と言えます。

その理由は、星の温度はそれを特徴づける最も基本的な性質の一つだからです。もちろん、星の一生を決める最も重要なパラメータはその質量です。主系列星、すなわち、壮年期にある星はその質量に対応する温度を示します。太陽質量の恒星は有効温度が約5,500℃であるのに対し、太陽質量の15倍、2倍、1/2倍の恒星は、有効温度はそれぞれ約29,000、8,000、3,600℃となります。また、星はその有効温度に対応した特徴的なスペクトル型を示すことが知られています。スペクトル型の分類方法として1901年にハーバード天文台で提案された"O-B-F-G-K-M" 型という、いわゆる恒星の「ハーバード分類」は、摂氏温度約5万度の高温から2,200度の低温の星を特徴付けるものとして100年以上にわたって天文学で用いられてきました(図1)。太陽はG型星に分類されます(注1)。

しかしながら、1980年代の後半から90年代の中ごろにかけて、ハーバード分類にも当てはまらない低温星が見つかってきました。中でも、1988年にアメリカのベックリンとザッカーマンが発見したGD165Bと1995年に当時アメリカにいた中島紀やシュリ・カカーニらが発見したGl229Bは、現在、それぞれ、M型星より低温の新しいスペクトル型である「L型星」とさらに低温の「T型星」の最初の例と考えられています。つまり、過去20年間に星のスペクトル分類はM型星を超えてより低温まで拡張され、"O-B-F-G-K-M-L-T" となったのです(図1)。L型は2,200-1,100℃、T型は1,100-400℃に対応します。現在までに約670個のL/T星が発見されています。



図1:褐色矮星を含むさまざまな恒星(主系列星、巨星、超巨星、白色矮星)の有効温度と光度の関係図。ヘルツシュプルング・ラッセル(HR)図と呼ばれます。過去20年間で主系列星のO型〜M型よりもさらに低温の星の温度系列としてL型とT型が確立されました。さらに低温の天体としてY型星の存在も理論的に予想されています。



ところで、L型の一部やT型の星は余りにも温度が低いので、普通の星、つまり恒星ではありません。質量が軽いため安定して水素を燃焼する恒星になれなかった星、「褐色矮星」に対応します。太陽質量の0.075倍(木星質量の約75倍)以下の星は褐色矮星としてその一生を送ります(図2)。太陽に比べてずっと軽い天体で我々に最も馴染み深いのは「惑星」ですが、惑星は褐色矮星よりさらに軽いもの、つまり、太陽質量の0.013倍(木星質量の約13倍)以下の(恒星を周回する)星とされます。惑星は、恒星誕生の副産物として周回する恒星と共に生まれますが、褐色矮星は恒星のように単独あるいは似た質量の天体と共に、母体となる分子雲の塊から生まれます。惑星は、質量が軽いため褐色矮星と同様に自分では光ることができない低温天体ですが、太陽系には8つの惑星があり詳しく調べることができます。しかしながら、褐色矮星は太陽系には存在しない天体なので、その性質を調べたり、この広い宇宙にどれほど温度の低い褐色矮星があるのかどうかを調べるには、我々から離れた宇宙を観測しなければわからないのです。


図2:低質量星の年齢と有効温度の理論的予想図。太陽質量の0.075倍以上の天体は、自ら水素燃焼を起こして、星の温度が一定となります。しかし、軽い天体は自ら光らず、時間と共に冷えて暗い天体「褐色矮星」となってしまいます。



また、このような低温天体、とくに、摂氏1,000〜250℃の天体は、近年のドップラー速度法などで発見された恒星のごく近くを周回するホット・ジュピター(注2)とほぼ同じ温度を持ちます。ホット・ジュピターの大気の直接観測は、まだ特別な場合しか観測できないのですが、低温褐色矮星の大気は直接にスペクトルを得たりして詳しく調べることが可能です。すなわち、低温褐色矮星を観測することによって、系外惑星の大気がどのようなものかを事前に調べることができることも重要です。

ところが、このような低温天体を発見するのは容易ではありません。その理由は、低温天体はエネルギー放射のピークが赤外線波長にあるため、可視光では著しく暗いからです。さらに、期待される天体の数が多くないため、狭い天空領域を深く観測するだけでは発見できないことも大きな理由です。つまり、このような低温天体を開拓するには、広い領域を深く探査する必要があります。

日本を含む英国等の研究チームは、現在、英国の口径3.8メートル赤外線望遠鏡 UKIRT を用いて、4,000平方度という広い領域を、赤外線の4波長(YJHKバンド、注3)において、これまでの全天サーベイよりも約10倍以上深く探査するプロジェクトを進めています(UKIDSS/LAS-ユーキッズ・広域サーベイ)。これによって、より低温の星の開拓が可能となりました。


そして、国立天文台を含む日英等から成る研究チームは、UKIDSSデータの一部(約280平方度分の観測データ)から独自の方法で超低温天体候補を精選し、そのスペクトルから大気温度を推定し、『宇宙にどれほど温度の低い星があるか』の探査を、すばる望遠鏡やジェミニ望遠鏡を用いて進めてきました。その結果、これまでに計28個ものT型星(摂氏1,200度以下)を発見し、探査手法が非常に有効であることを示しました。

発見されたT型星のうち5天体は、これまでに知られているT型星の中でも最も低温のものです。そのうち、ULAS1335は、温度がわずか摂氏約280度と見積もられました(T9型星に分類、注4;図3および図4参照)。これは、おとめ座の方向、約30光年の距離にある、20木星質量程度の褐色矮星で、(惑星を除くと)これまでで最も低温の星を発見したことになります。


図3:UKIDSSが発見した最も低温のT型星の赤外線スペクトル(赤色)。木星のスペクトル(水色)と比較したものです。星の大気中の水やメタンが吸収バンドを形成しています。



図4:現在、惑星を除いて宇宙で最も冷たい星「ULAS1335」の赤外線画像。



既知のT型星は約100個ですが、観測開始からわずか3年で28個ものT型星を発見できたこと、また、それらの多くは最も低温のT型星を占めることは重要な貢献だと考えられます(図5)。UKIDSSの観測はまだ継続しており、最終的には、これまでの10倍以上の領域をサーベイします。その結果、最終的には数百個のT型星を見つけることができると期待しています。これによって、低温星の研究は飛躍的に進むでしょう。

その中には、さらに低温の星が含まれることも期待されます。しかし、8メートル級望遠鏡をもってしても、このような低温星の詳細なスペクトル観測は楽ではありません。計画中の次世代の30m超巨大望遠鏡や3.5mスペース赤外線望遠鏡による低温天体の大気の研究にとって、我々が発見した低温星は、今後最も重要な天体のひとつとなることは間違いありません。


5:「宇宙で最も冷たい星」の変遷。過去のT型星とUKIDSSで発見されたT型星を年代別に示したものです。



この成果の一部は、英国王立天文学会誌に掲載される予定です。


【研究チーム】
石井未来、田村元秀
(自然科学研究機構 国立天文台 ハワイ観測所および太陽系外惑星探査プロジェクト室);

葛原昌幸(東京大学);

デイビッド・ピンフィールド、ベン・バーミンガム、フィル・ルーカス(英国ハートフォードシャー大学)、ほか

「低温矮星サイエンスワーキンググループ」。


この研究は、文部科学省科学研究費特定領域研究「太陽系外惑星科学の展開」によるサポートを受けています。


問い合わせ先:

石井未来(ハワイ観測所、RCUH研究員)、
TEL: 808-934-5939
FAX: 808-934-5099
E-MAIL: ishii@subaru.naoj.org

または

田村元秀(国立天文台・総合研究大学院大学、准教授)
TEL: 090-7198-8360 または 0422-34-3513
FAX: 0422-34-3527
E-MAIL: motohide.tamura@nao.ac.jp


注1:
スペクトル型はさらに数字で細分されます。例えば、G型星がG0-G1-…-G9と分類されます。太陽はG2型星です(温度約5,500℃)。

注2:
すばるが発見したホット・ジュピター。
http://www.naoj.org/Pressrelease/2005/06/30/j_index.html

注3:
Yバンド=波長1.02 マイクロ・メートル、
Jバンド=波長1.25 マイクロ・メートル、
Hバンド=波長1.64 マイクロ・メートル、
Kバンド=波長2.20 マイクロ・メートル。
1 マイクロ・メートル = 百万分の一メートル = 1 μm。

注4:
摂氏280度は、ロウソクの炎の温度(摂氏1,400度)よりずっと低温で、ごま油の引火温度くらいしかない。太陽系の惑星で最も近い温度のものは、水星の昼側の温度(摂氏430℃)。


Q&A集(随時追加します)

Q:褐色矮星とは何ですか?

A:質量が軽すぎるため(太陽質量の0.075倍以下)、太陽のように安定して水素核融合が出来ず、恒星になれない(なれなかった)星です。低温のため、可視光では非常に暗い天体ですが、生まれる際の重力収縮、および、比較的低温でも燃焼する重水素燃焼のエネルギー(の名残)で赤外線を放射しています。



Q:褐色矮星とL型星・T型星は同じものですか?

A:違います。褐色矮星は、上記のように質量で定義されています。いっぽう、L型星・T型星は温度で定義されました。同じ質量の褐色矮星でも、図2のように時間によって温度が変わる(冷えてゆく)ので、そのタイプはL型やT型と一意に対応しません。



Q:褐色矮星と惑星は何が違うのですか?

A:これは難しい質問です。今でも唯一の定義はありませんが、以下のような違いがあると考えられています。
1)どちらも(軽)水素は安定して燃やすことはできないが、重水素を燃やすことができる少し重い(太陽質量の0.075倍以下、0.013倍以上)ものが褐色矮星、重水素も燃えないものが惑星と考える。
2)太陽のような普通の恒星と同じように分子雲の分裂で生まれるものが褐色矮星、ある天体の周りの原始惑星系円盤内で生まれるものが惑星と考える。
3)太陽系の巨大惑星と同じように、天体の中心部分にコアがあるものは円盤から生まれたと思われるため、惑星と考える。
など。