孤立した褐色矮星「W1935」でオーロラが発生している可能性 理由は謎

美しい天文現象である「オーロラ」は、地球以外の天体でも観測されています。オーロラは恒星から放出される荷電粒子（電気を帯びた粒子）と大気との衝突で発生する現象であるため、近くに恒星がない天体でのオーロラの発生は予測されていませんでした。

しかし、アメリカ自然史博物館のJackie Faherty氏などの研究チームは、恒星の周辺を公転しておらず、孤立している褐色矮星「W1935」に、オーロラと思われる赤外線の発光を観測しました。孤立した褐色矮星でオーロラが観測されたのはこれが初めてです。この発見は予想外であり、その発生理由が注目されています。

【▲図1: 赤外線で輝くオーロラを持つW1935の想像図（Credit: NASA, ESA, CSA & Leah Hustak (STScI)）】 ■「オーロラ」は恒星活動と関連している

「オーロラ」は視覚的に美しく、知名度の高い天文現象です。オーロラは大気を構成する分子に宇宙から降り注ぐ高速の荷電粒子が衝突することで発生します。この理由から、オーロラは地球以外でも大気が存在する天体で発生します。例えば太陽系の惑星では、濃い大気が存在しない水星を除いた全ての惑星でオーロラの発生が確認されています。

オーロラの発生には大気と共に、高速かつ大量の荷電粒子が必要となります。太陽系における大量の荷電粒子の源は太陽です。これは他の恒星でも同じことが言えるため、太陽系以外の惑星系でもオーロラの発生が観測されています。裏を返せば、近くに恒星がない天体の場合、オーロラも観測できないことになります。

■孤立した褐色矮星「W1935」でオーロラを観測

Faherty氏らの研究チームは、「ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡」を使用し、12個の褐色矮星の観測を行いました。褐色矮星は木星のような巨大ガス惑星と太陽のような恒星との中間的な性質を持つ天体とされており、その性質が注目されています。

Faherty氏らが観測した12個の褐色矮星には、お互いの性質が似ている「W1935」と「W2220」が含まれていました。どちらも近くに恒星がない孤立した褐色矮星であり、非常に低温です。このような低温の褐色矮星の大気中にはメタンが多く含まれていることが知られており、これはウェッブ望遠鏡が観測できる赤外線の波長で見つけることができます。実際に、W2220の観測ではメタン分子によって特定の波長が吸収され、その分だけ暗くなった赤外線が予測通り観測されました。

【▲図2: ウェッブ望遠鏡によるW1935とW2220のそれぞれの観測結果。メタンに関連する赤外線の波長について、W2220 (白色) では弱い一方、W1935 (青色) は赤外線が強いことが分かります（Credit: NASA, ESA, CSA & Leah Hustak (STScI)）】

しかし、クローンとも例えられるほど似ているはずのW1935では、メタン分子による赤外線の吸収ではなく、メタン分子から赤外線が放出されているという予想外な観測結果が得られました。大気を構成する分子からの発光であることから、これはオーロラを観測していることになります。

そこで、それぞれの大気の温度をシミュレーションしたところ、W2220は予想通り高度が上がるほど気温が低下するのに対し、W1935では高度が上がるほど気温が上昇するという逆転現象が見られました。このような気温の逆転現象は地球の成層圏でも観察されており、近くに恒星のような熱源がある場合には不思議ではない現象です。しかし、孤立した褐色矮星であるはずのW1935で発生するのは不可解と言えます。

■発生理由の解明はこれから

Faherty氏らは、W1935でオーロラが発生している理由は今のところ不明としつつ、いくつかの推測を提示しています。

1つ目は、W1935に活発な活動をしている衛星があるという可能性です。木星のイオや土星のエンケラドゥスのような衛星は、物質を宇宙空間へと噴出する活発な活動が確認されており、噴出した物質が衝突することでオーロラが発生します。木星や土星の場合、太陽からの荷電粒子もオーロラ発生の理由となっていますが、近くに恒星がないW1935では、これがオーロラ発生の唯一の理由となっているのかもしれません。

2つ目は、W1935の内部の熱源が大気を加熱し、その熱エネルギーがオーロラを発生させているという説です。顕著な大気の温度逆転現象は木星や土星でも観察されており、太陽からの熱だけでは説明できないことがすでに分かっています。惑星内部の熱（※）が大気循環で外側へと輸送されているとすればこの逆転現象を説明できる、というのがこの説です。ただし、木星や土星に関しては大気上層部の加熱はオーロラによるものであるという説のほうが支持されています。そのため、W1935における熱とオーロラの関係は逆である可能性があります。

※…内部の熱源についての詳細は不明ですが、惑星が重力によってわずかに潰れることや、惑星内部の対流による重力エネルギーが熱エネルギーに変換されることなどが想定されています。

3つ目は星間プラズマとの衝突です。これについては詳細はほとんど分かっていませんが、近くに恒星がない場合の荷電粒子の発生源としては最も有力な候補となります。

どの説が正しいのか、あるいは他の理由でW1935のオーロラが発生しているのかどうかは現時点では不明ですが、いずれにしても新たな謎がもたらされたことは、ウェッブ望遠鏡がとても高性能であることを示しています。W1935のオーロラは温度に換算すると約200℃であり、これは観測された中で最も温度の低いオーロラです。このようなオーロラの観測は難しいため、ウェッブ望遠鏡の活躍を示す1つの成果となるでしょう。

 

Source

NASA Webb Telescope Team. “NASA’s Webb Finds Signs of Possible Aurorae on Isolated Brown Dwarf”. (NASA)

文／彩恵りり