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次世代の望遠鏡が異世界の天気を教えてくれる

直径30メートル以上の主鏡、補償光学装置(AO)、コロナグラフ、高度な分光器などを備えた超大型望遠鏡の登場により、天文学の分野が大きく変わろうとしている。この望遠鏡には、「超大型望遠鏡(ELT)」「巨大マゼラン望遠鏡(GMT)」「30m望遠鏡(TMT)」が含まれる。これらの望遠鏡により、ダイレクトイメージング(DI)法による太陽系外惑星の研究が可能となり、大気組成に関する貴重なデータを得ることが可能となるのだ。

オハイオ州立大学(OSU)の研究チームによる新しい研究によると、これらの望遠鏡は、超低質量星(VLM)、褐色矮星、太陽系外惑星などの「超低温天体」を研究することも可能になるという。ELTは、磁気を帯びたスタースポットを可視化し、これらの天体の化学組成を決定することができるほか、大気力学や雲システムの詳細を明らかにすることができる。このような研究により、宇宙で最も研究が遅れている天体に関する豊富な情報が明らかになり、太陽系外生命体の探索に大きく貢献することが期待される。

この研究は、OSUの博士課程の学生であるMichael K. Plummer氏と天文学の教授であるJi Wang氏が、Plummerの博士論文の一部として実施したものだ。Plummer氏は米国空軍士官学校に留学していた将校でパイロットでもあり、Wang氏は太陽系外惑星のより詳細な研究を可能にする高感度機器の作成を専門としている。今回の研究成果は、「Mapping the Skies of Ultracool Worlds: Detecting Storms and Spots with Extremely Large Telescopes」と題され、『The Astrophysics Journal』誌に掲載されたばかりだ。

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冷たい褐色矮星とその磁場の想像図。 (Credit: ASTRON/Danielle Futselaar)

超低温天体の研究は天文学の急成長分野であり、光学望遠鏡を使った研究は非常に困難なものだった。赤外線や電波天文学の進歩のおかげで、天文学者は近年これらの天体について多くを学び、私たちの宇宙に存在する天体の範囲や性質についてよりよく理解できるようになった。Plummer氏は、Universe Todayに電子メールで次のように語っている:

“最も質量の小さい恒星や褐色矮星を含む超冷却矮星は、大気中に凝縮物を形成することができる有効温度を持っている。この凝縮体は、金属雲やケイ酸塩雲を含むことがある。1300K付近のスペクトルL/T遷移で、雲が雨のように降り出し、パッチ状の大気の特徴を作り出すと考えられている。急速回転体では、このことがこれらの天体で観測されるスペクトルや測光信号の高い変動性につながる可能性があります。”

Plummer氏とWang氏は、次世代望遠鏡の性能に注目し、高感度分光器、赤外線撮像機能、S/N比の向上により、VLM、褐色矮星、太陽系外惑星をより詳細に研究する方法を検討した。トランジット分光法(トランジット測光法の一種)は、惑星が恒星の前を周期的に通過し(観測者に対し)、その大気を通過する光を観測するものである。また、「ダイレクトイメージング法」を応用した「ダイレクトスペクトロスコピー」もある。

この場合、天文学者はコロナグラフを使って恒星の光を遮り、太陽系外惑星の大気や表面で反射した光を観測装置で見えるようにする。どちらの場合も、Plummer氏らは、これらの天文台とその高度な観測装置が、どのような大気の特徴を可視化できるかを検討した。Plummer氏はこう付け加えた:

“また、木星で見られるような帯状の特徴が、観測された変動の原因である可能性も提唱されています。ドップラーイメージングは、これらの超低温天体の大規模な天候の特徴をマッピングし、恒星下天体の熱的、化学的、動的な構造に光を当てることができます。このことは、これらの天体の大気が、主にバンド状なのか、パッチ状なのか、あるいはその両方が組み合わさっているのかを理解するのに役立つでしょう。”

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3つの太陽系外惑星を並べ、化学的性質と入射フラックスによって大気の見え方がどのように異なるかを探る。(Credit: Jack H. Madden)

Plummer氏とWang氏は、30m級の望遠鏡が恒星や太陽系外惑星の研究を行うために使用する分光器について研究しました。GMTのコンソーシアム大型地球ファインダー (G-CLEF) は、少なくとも50cm/sの精度で放射速度 (RV) を測定する、補償光学装置付きの可視光エシェル分光器です。これらの機能により、GMT の天文学者は、最も金属に乏しい星の特徴を明らかにし、M 型(赤色矮星)星の周りにある火星サイズの太陽系外惑星の質量を測定し、透過スペクトルから太陽系外惑星の大気中の酸素ガスを検出することができます。

2つ目は、TMTの回折限界高分解能赤外分光器(MODHIS)である。MODHISは、狭視野赤外線補償光学系(NFIRAOS)の一部として、30cm/s以上の高精度RV測定と、TMTのコロナグラフ装置によるTranist法およびDirect Imagingで太陽系外惑星大気のスペクトルを取得する予定です。さらに、太陽系外惑星の回転、半径方向速度、雲の動き、天候などを観測する予定です。

これは、太陽系の天体から恒星、原始惑星系円盤、太陽系外惑星、遠方の銀河まで、あらゆる天体の研究に利用される。Plummer氏とWang氏は、これらの装置とその性能の評価に基づいて、これらの装置によって可能になる研究の種類とその巨大な意味を説明した。Plummer氏は次のように説明した:

“今後打ち上げられる予定のELTとその分光観測装置は、暗い褐色矮星のドップラーイメージングマップを作成するのに必要な信号対雑音比とスペクトル分解能を提供し、おそらく最も明るい系外惑星も、主星から大きな軌道距離にあることが予想されます。太陽系外巨大惑星のドップラーイメージングは、ガス惑星が太陽系内で観測される大気とどのように異なるかを理解するのに役立つだでしょう。

“褐色矮星は、温度、大きさ、スペクトルのクラスが似ているため、太陽系外のガス状巨星惑星の優れたアナロジーとなる。若くて表面重力が低い褐色矮星は、我々が直接撮像した多くのガス惑星(例えばHR8799惑星)と同様に赤いスペクトル(光学的に厚い雲によるものと思われる)を持つようで、この点で特に興味深いです。”

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今回観測された惑星の大きさを示すアーティストコンセプト画像。TOI-1634の半径は地球の半径の1.5倍、TOI-1685の半径は1.8倍である。(Credit: Astrobiology Center/NINS)

次世代望遠鏡や観測機器によって、今後数年間、宇宙に関する驚くべきブレークスルーが期待されている。また、一般市民の参加も増え、天文台と市民科学者とのコラボレーションが進み、大量の科学データの整理ができるようになったことも、天文学者にとって大きなメリットだ。機械学習やより高度なアルゴリズムも頻繁に使用されるようになり、新しい天体や太陽系外惑星の発見率が大幅に向上している。

情報量の多さに加え、より洗練されたツールや手法により、発見から特徴づけへの移行が進んでいる。確認された太陽系外惑星やその他の天体の数が飛躍的に増加するだけでなく、科学者がそれらをより詳しく観察できるようになるという事実がある。化学組成を決定し、天候パターンまで見ることができるため、科学者は遠くの太陽系外惑星が “居住可能”かどうかを判断することができる。

どうだろうか?運が良ければ、このデータから地球外生命体の最初の証拠が見つかるかも知れないし、もしかしたら高度な文明が存在するかも知れないのだ。


この記事は、MATT WILLIAMS氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。

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