星のオーロラが新たな太陽系外惑星への道を照らす

太陽系で最も火山活動が活発な木星の衛星イオは、遠方の太陽系外惑星を発見する新たな方法を生み出した。イオは木星を周回する際に木星の磁場を引っ張り、木星の大気中に明るいオーロラを発生させる。たとえイオ自体が見えなくても、隠れた周回天体の鼓動に合わせて脈打つ巨大なオーロラは、そこに何かが存在することを教えてくれるだろう。

科学者たちは長年、遠方の惑星やそれらが周回する恒星にも同様のプロセスが働いているのではないかと考えてきた。そして今、天文学者たちは初めて、主星のオーロラをマッピングすることで太陽系外惑星を発見したと発表した。これは、銀河系に広がる未知の世界の地図を描く探求に新たな章を開くものだ。

昨日Nature Astronomy誌に掲載された新たな研究で、研究者たちはヨーロッパ全土に広がる約2万個の小型電波アンテナを用いて、この恒星の特徴的なフレアを検出した。彼らは、このフレアは地球と同程度の大きさで、恒星を1日から5日かけて公転する岩石惑星によってのみ発生すると結論付けた。このような惑星は、恒星のハビタブルゾーンのすぐ端に位置し、液体の水が存在するのに適した温度となっている。

多くの新しい技術と同様に、この技術も今後さらなる発見を約束しています。「これは、従来の方法よりも多くの太陽系外惑星を発見できる手段となる可能性があります」と、この研究には関与していないレスター大学の天体物理学者、ジョナサン・ニコルズ氏は述べています。「通常、観測が非常に難しいタイプの系を調査する方法となる可能性があります。」

告発のフレア

この新たな発見を可能にした洞察は、もっと身近なところから始まりました。木星の周囲では、イオが噴火し、荷電粒子を多く含んだガスを噴出しています。宇宙磁場を研究するニコルズ氏によると、イオが主惑星の周りを自転するにつれて、この荷電ガスは木星の磁力線を「ギターの弦を弾くように」かき回します。弦を弾くことで生じる波動は磁力線を伝わって木星に到達し、そこで電波バーストを放出します。この電波は、月が木星の周りを自転するにつれて、断続的に放射されます。

新しい論文の著者らは、同様の引き剥がし現象が観測されていると考えているが、今回は惑星が恒星の磁力線を引き剥がしているという。

研究チームはまず、直径1,500キロメートルの巨大なアンテナとして機能する小型電波アンテナ群「低周波アレイ（LOFAR）」によって作成された天空の地図を分析することから始めた。LOFARは10年にわたり天空を観測しており、これまでのどの電波観測よりも暗い天体を観測できるほどのデータを蓄積してきた。

「より深く探究していくと、新しい発見があるのです」と、オランダ電波天文学研究所の天文学者で新論文の主執筆者であるハリシュ・ヴェダンタム氏は語った。

ヴェダンサム氏と彼のチームは、LOFARが観測したすべての電波放射を地図化した。そして、この地図を別の地図、つまりガイア宇宙望遠鏡が作成した天の川銀河の恒星の地図と重ね合わせた。そして、銀河などの遠方の天体ではなく、恒星から来た電波源を特定した。

その過程で、彼らはGJ 1151を発見しました。これは、驚くほど長寿命の放射を持つ微弱な星です。GJ 1151はM型矮星と呼ばれる星のクラスに属し、小さく、暗く、非常に多く存在し、天の川銀河の星の約70%を占めています。M型矮星はしばしば非常に磁気的に活発です。多くのM型矮星は高速で自転しており、時にはわずか数時間で一周することもあります。この自転によってフレアが発生することがあります。

しかし、GJ 1151は他の恒星に比べて爆発的な活動が少なく、静かな恒星です。そして、ヴェダンタムのチームが観測した明るい電波活動は、観測時間全体と同じく少なくとも8時間続きました。これほど長時間にわたるフレアが恒星内部から発生したとは考えられません。

この電波フレアにはもう一つ奇妙な特性があった。その光は、円運動する電子によって発生しているように見えたのだ。これは通常の太陽フレアでは想定されない現象だ。しかし、もしこの電波フレアが、恒星の磁場を周回する惑星の荷電粒子から発生しているのであれば、納得がいく。

その結果、研究チームは、強い電波放射の源は地球サイズの隠れた惑星であると結論付けました。「この研究チームは、消去法によって、観測結果を説明できる最良のシナリオ、つまり周回惑星を導き出すという、非常に優れた仕事をしたと思います」と、カリフォルニア工科大学の天文学者で今回の研究には参加していないグレッグ・ハリナン氏は述べています。

しかし、誰もが完全に納得しているわけではない。アリゾナ州立大学で恒星と惑星の相互作用を研究している天体物理学者、エフゲニア・シュコルニク氏は、LOFARが観測した低周波数におけるM型矮星の研究はそれほど多くないと指摘する。「実際には、これらの周波数、これらの時間スケールにおいて、恒星が何をしているのか、私たちには分からないのです」と彼女は言う。「確かに、一般的なフレアである可能性は低いですが、非常に稀な巨大なスーパーフレアである可能性がないわけではありません。」

このフレアが太陽系外惑星から来ていることを確認する方法はいくつか考えられます。研究者たちはGJ 1151の電波の監視を続けることができます。もし、定期的に発生するバースト（おそらく惑星の公転ごとに1回）をさらに3～4回発見できれば、それが「ゴールドスタンダード」となるでしょう、とハリナン氏は言います。

あるいは、既存の惑星探査方法のいずれかを使うこともできますが、それぞれに限界があります。視線速度法は、惑星が主星に及ぼす重力の影響を観測しますが、この手法は木星サイズの巨大な惑星に最も有効です。一方、トランジット法は、惑星が主星と地球の間を通過する際に生じる主星の光の減衰を観測します。この場合、惑星と主星が私たちの視線と一直線になっている必要があり、推定によると、このように完全に一直線になっている惑星は全体の1%未満です。

これまでのところ、これらの相補的な手法による確認は困難を極めている。昨日、The Astrophysical Journal Lettersに掲載された関連論文で、ヴェダンタム氏らは、カナリア諸島に設置された専用の惑星探査装置を用いた視線速度法を用いて、GJ 1151の周囲に惑星を発見できなかったと報告している。この結果は、そのような惑星は地球の5倍の質量よりも小さいはずであることを示唆している。

もう一つの惑星探査プロジェクト「カルメネス」は、GJ 1151を含む300個以上のM型矮星を調査してきました。カルメネスはさらに小さな惑星にも感度が高いはずですが、調査はまだ完了していません。ヴェダンタム氏は、たとえカルメネスがGJ 1151の周囲に惑星を発見できなかったとしても、その質量の上限はより低くなるだけだと述べています。

これらの他の手法の限界こそが、太陽系外惑星を発見するための全く新しい方法がなぜこれほど歓迎されているのかを物語っています。地球型惑星はガス巨星よりもM型矮星の周囲にはるかに多く見られ、これはLOFARがより多くの惑星と恒星の相互作用を発見できることを示唆しています。

「特別な設定は必要ありません」とヴェダンタム氏は言った。「こういうものがもっとたくさんあるはずです。」

彼は、LOFARが数十から数百の追加惑星を発見すると見積もっている。そして、2つの大陸にまたがる数千の電波望遠鏡からなる巨大プロジェクト、スクエア・キロメートル・アレイは、さらに低い周波数の探査が可能になり、はるかに多くの惑星を発見できるはずだ。

「もし最大感度で作動するようになれば、数百から数千もの天体を発見できるとしても驚きません」とヴェダンタム氏は述べた。「感度が高ければ、空は新しく興味深いもので満ち溢れているのです。」

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。

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