天文学者が太陽系外で初の放射線帯を発見

カリフォルニア大学サンタクルーズ校 2023年5月30日

超低温矮星 LSR J1835+3259 のオーロラと周囲の放射線帯のアーティストの印象。 クレジット: チャック・カーター、メロディー・カオ、ハイジング・シモンズ財団

High-resolution imaging of radio emissions from an ultracool dwarf shows a double-lobed structure like the radiation belts of JupiterJupiter is the largest planet in the solar system and the fifth planet from the sun. It is a gas giant with a mass greater then all of the other planets combined. Its name comes from the Roman god Jupiter." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">木星。

天文学者のチームは、39 個のラジオ受信アンテナを使用して、太陽系の外にある最初の放射線帯の観測に成功しました。 超低温矮星の周囲で見つかった放射線帯は木星と似ていますが、1,000万倍明るいです。 天体の磁場の研究におけるこの画期的な進歩は、系外惑星の居住可能性の理解に貢献する可能性があります。

天文学者らは、ハワイからドイツまでの39台の電波受信アンテナを調整して配置し、高解像度の画像を取得し、太陽系の外で観測された最初の放射線帯を記述した。 超低温矮星からの持続的で強力な電波放射の画像は、その天体の強力な磁場に捕らえられた高エネルギー電子の雲の存在を明らかにし、木星の放射線帯の電波画像に類似した二重ローブ構造を形成している。

"We are actually imaging the magnetosphere of our target by observing the radio-emitting plasmaPlasma is one of the four fundamental states of matter, along with solid, liquid, and gas. It is an ionized gas consisting of positive ions and free electrons. It was first described by chemist Irving Langmuir in the 1920s." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">磁気圏のプラズマ、つまりその放射線帯。 私たちの太陽系の外にある巨大ガス惑星ほどの大きさのものに対して、これはこれまでに行われたことがない」と、カリフォルニア大学サンタクルーズ校の博士研究員であり、5月に発表された新しい発見に関する論文の筆頭著者であるメロディー・カオ氏は述べた。自然界では15。

強力な磁場は、磁気圏と呼ばれる惑星の周りに「磁気バブル」を形成し、粒子を捕らえて光速近くまで加速することができます。 地球、木星、その他の巨大惑星を含む、このような磁場を持つ太陽系のすべての惑星には、惑星の磁場に捕らえられた高エネルギーの荷電粒子からなる放射線帯があります。

太陽系外輻射帯の最初の画像は、39 台の電波望遠鏡を組み合わせて、ハワイからドイツまで世界中に広がる仮想望遠鏡を形成することによって取得されました。 クレジット: Melodie Kao、Amy Mioduszewski

ヴァン アレン ベルトとして知られる地球の放射線帯は、磁場によって太陽風から捕らえられた高エネルギー粒子の大きなドーナツ型のゾーンです。 木星のベルトにある粒子のほとんどは、衛星イオの火山からのものです。 もしそれらを並べることができれば、花王氏と彼女のチームが撮影した放射線帯は木星の1000万倍も明るいことになる。

磁場によって極に向かって偏向された粒子は、大気と相互作用するときにオーロラ（「オーロラ」）を生成します。また、花王のチームは、物体のオーロラの位置と太陽系外のその放射帯とを区別できる最初の画像も取得しました。 。

今回の研究で撮影された超低温矮星は、低質量星と重い褐色矮星の境界をまたいでいる。 「星や惑星の形成は異なる場合がありますが、低質量星と褐色矮星や巨大ガス惑星をつなぐ質量連続体のどろどろした部分という点では、その内部の物理学は非常に似ている可能性があります」とカオ氏は説明した。

このクラスの天体の磁場の強さと形状を特徴づけるのは、ほとんど未知の領域である、と彼女は述べた。 惑星科学者は、これらのシステムと数値モデルの理論的理解を使用して、惑星の磁場の強さと形状を予測できますが、それらの予測を簡単にテストする良い方法がありませんでした。

電子放射帯と超低温矮星のオーロラは、39 台の電波望遠鏡を組み合わせて、ハワイからドイツまで地球全体に広がる仮想望遠鏡を形成することによって撮影されました。 クレジット: Melodie Kao、Amy Mioduszewski

「オーロラは磁場の強さを測定するために使用できますが、形状を測定することはできません。私たちは褐色矮星、そして最終的には系外惑星の磁場の形状を評価する方法を紹介するためにこの実験を設計しました」とカオ氏は述べた。

磁場の強さと形状は、惑星の居住可能性を決定する重要な要素となる可能性があります。 「系外惑星の居住可能性について考えるとき、大気や気候などに加えて、安定した環境を維持する上での磁場の役割も考慮すべきことだ」とカオ氏は語った。

磁場を生成するには、惑星の内部が導電性流体を存在させるのに十分な温度でなければなりません。地球の場合、それは中心部の溶融鉄です。 木星では、導電性流体は水素であり、非常に高い圧力がかかると金属状になります。 カオ氏によると、褐色矮星では金属水素もおそらく磁場を生成するが、星の内部では導電性流体はイオン化した水素であるという。

LSR J1835+3259 として知られる超低温矮星は、花王が放射線帯を解明するために必要な高品質のデータが得られると確信した唯一の天体でした。

「この特定の種類の定常状態の低レベル電波放射が、褐色矮星から、そして最終的にはガスからのその種の放射を見ると、これらの天体の大規模な磁場の中の放射線帯を追跡することが証明されたので、たとえ私たちの望遠鏡がその形状を見るのに十分な大きさではなかったとしても、それらはおそらく大きな磁場を持っているとより自信を持って言えます」とカオ氏は述べ、次世代の超大型アレイが誕生するのを楽しみにしていると付け加えたは現在、国立電波天文台 (NRAO) によって計画されており、さらに多くの太陽系外放射線帯を画像化することができます。

「これは、より多くのそのような天体を発見し、ますます小さな磁気圏を探索するスキルを磨き、最終的には居住可能な可能性のある地球サイズの惑星の研究を可能にするための重要な第一歩です」と共著者であるアリゾナ州立大学のエフゲニャ・シュコルニク氏は述べた。彼は惑星の磁場と居住可能性を長年研究してきました。

研究チームは、米国の NRAO が調整した 39 個の電波受信アンテナと、ドイツのマックス プランク電波天文学研究所が運用するエッフェルスベルク電波望遠鏡で構成される高感度アレイを使用しました。

「世界中のラジオ受信アンテナを組み合わせることで、信じられないほど高解像度の画像を作成して、これまで誰も見たことのないものを見ることができます。私たちの画像は、ワシントン DC に立ちながらカリフォルニアの視力検査表の一番上の行を読むことに匹敵します。 」とバックネル大学の共著者ジャッキー・ヴィラセン氏は語った。

この発見の詳細については、「天文学者が太陽系外に最初の放射線帯を発見」を参照してください。

参考文献：「分解画像により超低温矮星の周囲の放射線帯が確認された」メロディー・M・カオ、エイミー・J・ミオドゥシェフスキー、ジャッキー・ヴィラドセン、エフゲニヤ・L・シュコルニク著、2023年5月15日、Nature.DOI: 10.1038/s41586-023-06138-w

Kao emphasized that this discovery was a true team effort, relying heavily on the observational expertise of co-first author Amy Mioduszewski at NRAO in planning the study and analyzing the data, as well as the multiwavelength stellar flare expertise of Villadsen and Shkolnik. This work was supported by NASAEstablished in 1958, the National Aeronautics and Space Administration (NASA) is an independent agency of the United States Federal Government that succeeded the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). It is responsible for the civilian space program, as well as aeronautics and aerospace research. Its vision is "To discover and expand knowledge for the benefit of humanity." Its core values are "safety, integrity, teamwork, excellence, and inclusion." NASA conducts research, develops technology and launches missions to explore and study Earth, the solar system, and the universe beyond. It also works to advance the state of knowledge in a wide range of scientific fields, including Earth and space science, planetary science, astrophysics, and heliophysics, and it collaborates with private companies and international partners to achieve its goals." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">NASA とハイシング・シモンズ財団。