星震が恒星の磁気の謎を解くかもしれない

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

私たちの惑星は滅亡の運命にある。数十億年後には、太陽は水素燃料を使い果たし、赤色巨星へと膨張するだろう。その巨大な恒星は、内惑星を焦がし、黒焦げにし、飲み込んでしまうだろう。

赤色巨星は惑星にとっては厄介者だが、天体物理学者にとっては朗報だ。誕生間もない原始星からゾンビ化した白色矮星まで、様々な恒星を理解する鍵を握っているのは、赤色巨星の奥深くに、恒星の運命を左右する目に見えない力、つまり磁場が存在するからだ。

恒星の表面付近の磁場はよく特徴付けられていることが多いものの、中心核で何が起こっているかはほとんど分かっていません。しかし、赤色巨星は恒星内部の深部にある磁気を研究するのに適した星であるため、状況は変わりつつあります。科学者たちは、恒星表面の微細な振動である星震を、恒星内部への入り口として利用することで、この研究を行っています。

「赤色巨星には、中心核を非常に高感度に探ることができる振動がある」と、赤色巨星を研究するシドニー大学の星震学者ティム・ベッディング氏は言う。

昨年、トゥールーズ大学の研究チームはこれらの振動を解読し、3つの赤色巨星内部の磁場を測定しました。今年初めには、同じ研究チームがさらに11個の赤色巨星内部の磁場を検出しました。これらの観測結果を合わせると、巨星の心臓部は予想以上に謎に包まれていることが示されました。

恒星の中心部に近い磁場は、恒星内部の化学反応に重要な役割を果たし、それが恒星の進化に影響を与えます。恒星モデルを改良し、内部磁気を考慮することで、科学者は恒星の年齢をより正確に計算できるようになります。このような測定は、生命が存在する可能性のある遠方の惑星の年齢を決定し、銀河形成のタイムラインを解明するのに役立つ可能性があります。

「恒星のモデル化には磁気は考慮されていません」と、赤色巨星内部の磁場を研究する手法を開発したオーストリア科学技術研究所の天体物理学者、リサ・ブグネット氏は述べた。「不思議なことですが、磁気は存在しないのです。なぜなら、それがどのように見えるのか、どれほど強いのか、私たちには全く分かっていないからです。」

太陽を見つめる

星の心臓部を探る唯一の方法は、恒星の振動を研究する星震学です。

地球内部を伝わる地震波が惑星の地下構造を解明するのに役立つのと同じように、恒星の振動は恒星内部への窓を開きます。恒星はプラズマが攪拌される際に振動し、恒星の内部構成と自転に関する情報を伝える波動を発生させます。バグネット氏はこのプロセスを鳴らす鐘に例えています。鐘の形と大きさは特定の音を生み出し、それによって鐘自体の特性が明らかになるのです。

地震を起こす巨大惑星を研究するために、科学者たちはNASAの惑星探査機ケプラー望遠鏡のデータを利用しています。ケプラー望遠鏡は長年にわたり18万個以上の恒星の明るさを監視してきました。その高感度により、天体物理学者は恒星の振動に関連する恒星の光の微細な変化を検出することができました。恒星の振動は恒星の半径と明るさの両方に影響を与えます。

しかし、恒星の振動を解読するのは容易ではありません。振動には大きく分けて2つの種類があります。1つは音圧モード（pモード）で、これは恒星の外縁部を伝わる音波です。もう1つは重力モード（gモード）で、こちらは周波数が低く、主に中心核に閉じ込められています。太陽のような恒星では、pモードが観測可能な振動の大部分を占めています。一方、gモードは内部磁場の影響を受けているため、検出するには弱く、恒星表面にも届きません。

2011年、ルーヴェン・カトリック大学の天体物理学者ポール・ベック氏とその同僚は、ケプラー宇宙望遠鏡のデータを用いて、赤色巨星ではpモードとgモードが相互作用し、混合モードと呼ばれる現象が発生することを示しました。混合モードは星の核を探るツールであり、天文学者はこれを用いてgモードの振動を観測することができますが、赤色巨星でのみ検出可能です。混合モードの研究により、天体物理学者の予測に反して、赤色巨星の中心核は星のガス層よりもはるかにゆっくりと回転していることが明らかになりました。

それは驚きだった。そして、それらのモデルに何か極めて重要なもの、つまり磁性が欠けていることを示唆している可能性もあった。

恒星の対称性

昨年、ルーヴェン・カトリック大学に所属する星震学のガン・リー氏は、ケプラーの巨星を発掘調査した。彼は赤色巨星の中心核の磁場を記録する混合モード信号を探していた。「驚いたことに、この現象の例をいくつか見つけたのです」と彼は語った。

通常、赤色巨星における混合モード振動はほぼリズミカルに発生し、対称的な信号を生成します。バグネット氏らは磁場がこの対称性を破ることを予測していましたが、リー氏のチームがその難しい観測を行うまで、誰もそれを実現できませんでした。

単なる数字ではない

ルーヴェン・カトリック大学の天体物理学者コニー・アーツ氏は、星震を利用して恒星の内部を調査することで恒星進化の「ルネサンス」が始まったと述べた。

ルネサンスは、星と宇宙における私たちの位置についての理解に広範な影響を与えています。現在、私たちが正確な年齢を知っているのは、太陽というたった一つの星だけです。これは、太陽系誕生時に形成された隕石の化学組成に基づいて科学者が決定したものです。宇宙の他のすべての星については、自転と質量に基づいた推定値しかありません。これに内部磁気を加えることで、より正確に星の年齢を推定できるようになります。

年齢は単なる数字ではなく、宇宙に関する最も深遠な疑問のいくつかに答えるのに役立つツールでもあります。地球外生命の探査を考えてみましょう。1992年以来、科学者たちは5,400個以上の太陽系外惑星を発見しています。次のステップは、これらの惑星の特性を明らかにし、生命の生存に適しているかどうかを判断することです。これには惑星の年齢を知ることも含まれます。「惑星の年齢を知る唯一の方法は、主星の年齢を知ることです」とデヘーベルズ氏は言います。

恒星の正確な年齢を必要とするもう一つの分野は、銀河考古学、つまり銀河がどのように形成されたかを研究する分野です。例えば、天の川銀河は進化の過程でより小さな銀河を飲み込んできました。天体物理学者は、恒星の化学組成からその起源を辿ることができるため、このことを知っています。しかし、それがいつ起こったのかを正確に時系列で示すことはできません。推定される恒星の年齢は十分に正確ではないからです。

「現実には、恒星の年齢に関して私たちが10倍も間違っていることがあるのです」とアーツ氏は語った。

恒星中心部の磁場の研究はまだ初期段階にあり、恒星の進化の過程を理解するには未知の部分が多く残されています。そしてアーツ氏にとって、そこに美しさがあるのです。

「自然は私たちよりも想像力豊かです」と彼女は言った。

この記事のためにジャクソン・ライアンが行った旅費の一部は、ISTA科学ジャーナリスト・イン・レジデンス・プログラムによって賄われました。

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。