前例のない発見：天文学者が太陽系外に最初の放射線帯を発見

アリゾナ州立大学2023年5月23日

褐色矮星 LSR J1835+3259 とその周囲の放射線帯上のオーロラ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

For the first time, astronomers have discovered a radiation belt outside our solar system, around a brown dwarf called LSR J1835+3259. The belt is 10 million times more intense than 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"}]">木星のものは、潜在的に居住可能な地球サイズの惑星の探査における重要なステップを表します。 この発見は、39 のラジオ受信アンテナの世界的なネットワークによって可能になりました。

放射線帯は、非常に高エネルギーの電子と荷電粒子で満たされた惑星を取り囲むドーナツ型の磁気構造です。

Originally discovered first around Earth in 1958 with the Explorer 1 and 3 satellites, radiation belts are now known to be a common feature in the solar system: All of the planets with large-scale magnetic fields — including Earth, Jupiter, SaturnSaturn is the sixth planet from the sun and has the second-largest mass in the Solar System. It has a much lower density than Earth but has a much greater volume. Saturn's name comes from the Roman god of wealth and agriculture." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Saturn, UranusUranus is the seventh farthest planet from the sun. It has the third-largest diameter and fourth-highest mass of planets in our solar system. It is classified as an "ice giant" like Neptune. Uranus' name comes from a Latinized version of the Greek god of the sky." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Uranus, and NeptuneNeptune is the farthest planet from the sun. In our solar system, it is the fourth-largest planet by size, and third densest. It is named after the Roman god of the sea." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">ネプチューン — 持っています。 しかし、これまで太陽系の外では放射線帯がはっきりと確認されたことはありません。

元アリゾナ州立大学で現在はカリフォルニア大学サンタクルーズ校の51ペガシbフェローであるメロディー・カオが率いる小規模な天文学者チームと、ASU地球宇宙探査学部のエフゲニヤ・シュコルニク教授が、最初の天体を発見した。太陽系の外側にある放射線帯。 この結果は、5月15日にNature誌に掲載された。

この発見は、木星とほぼ同じ大きさだがはるかに密度が高い「褐色矮星」LSR J1835+3259の周囲で行われた。 こと座の中にわずか 20 光年離れたところにあり、星になるほど重くはありませんが、惑星になるには重すぎます。 これまで太陽系の外では放射線帯がはっきりと見えたことはなかったため、惑星以外の天体の周囲にも放射線帯が存在し得るかどうかは不明でした。

「これは、そのような天体をさらに多く発見し、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」と磁気圏の研究を続けているシュコルニク氏は述べた。長年にわたる系外惑星のフィールドと居住可能性。

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

このチームが発見した放射線帯は人間の目には見えませんが、巨大な構造物です。 その外径は少なくとも木星の直径 18 個分に及び、最も明るい内部領域は木星の直径 9 個分離れています。 光速に近い速度で移動し、電波の波長で最も明るく輝く粒子でできているこの新しく発見された太陽系外放射帯は、木星よりもほぼ1,000万倍強く、木星自体は地球よりも数百万倍明るく、太陽の中で最もエネルギーの高い粒子を示しています。システム惑星。

The team captured three high-resolution pictures of the radio-emitting electrons trapped in LSR J1835+3259's magnetosphere over the course of a year using an observing technique now famous for imaging our galaxy's black holeA black hole is a place in space where the gravitational field is so strong that not even light can escape it. Astronomers classify black holes into three categories by size: miniature, stellar, and supermassive black holes. Miniature black holes could have a mass smaller than our Sun and supermassive black holes could have a mass equivalent to billions of our Sun." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">ブラックホール。

ハワイからドイツにまたがる39台の電波受信アンテナを調整して地球サイズの望遠鏡を作ることで、研究チームは、太陽系外で初めて観測された褐色矮星の「磁気圏」として知られる動的磁気環境を解明した。 彼らは、この磁場の形状をはっきりと見ることができ、おそらく地球や木星のような双極子磁場であると推測することができました。

「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、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。」共著者であるバックネル大学のジャッキー・ヴィラセン教授はこう語った。

しかし、カオと彼女のチームは、この褐色矮星の周りに放射線帯が見つかるという初期の手がかりを掴んでいました。 チームが2021年にこれらの観測を実施するまでに、電波天文学者はLSR J1835+3259が2種類の検出可能な電波放射を発していることをすでに観測していた。 花王自身も、灯台のように周期的に点滅する電波放射が無線周波数のオーロラであることを6年前に確認したチームに所属していた。

しかし、LSR J1835+3259 もより安定した、より弱い電波放射を示しました。 データは、これらのより暗い発光は星のフレアから来るものではなく、実際、木星の放射線帯に非常に似ていることを示しました。

研究チームの発見は、このような現象は当初考えられていたよりも普遍的なものである可能性があり、惑星だけでなく褐色矮星や低質量星、さらには超高質量星でも起こる可能性があることを示唆している。

地球を含む惑星の磁場の周囲の領域 (磁気圏) は、太陽や宇宙の高エネルギー粒子によって引き起こされる損傷から惑星の大気と表面を守ることができます。

「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。

観察された放射線帯に加えて、彼らの研究は、オーロラ（地球のオーロラに似ています）と太陽系外の物体からの放射線帯の「形状」と空間的位置の違いを明らかにしました。

「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。 「一つのアナロジーは、放射線帯は、私たちの太陽系の近隣に住む惑星の「ヤード」のようなものですが、花の代わりに、異なる波長と明るさで輝くエネルギー粒子がある点が異なります。

「それぞれの放射線帯の特定の特性は、その惑星のエネルギー資源、磁気資源、粒子資源について何かを教えてくれます。その惑星の回転速度、磁場の強さ、太陽にどれだけ近いか、より多くの粒子を供給できる衛星があるかどうかなどです。 「褐色矮星や低質量星がどのような「ヤード」を持っているかを初めて見ることができました。それについて学べる日が楽しみです。系外惑星が生息する磁気圏ヤード。」

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

This work is 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。

このチームは、元 ASU の NASA ハッブル博士研究員であり、現在はカリフォルニア大学サンタクルーズ校のハイジング・シモンズ 51 ペガシ b フェローであるメロディー・カオ氏が率い、国立電波天文台の准科学者エイミー・ミオドゥシェフスキー氏、ジャッキー・ヴィラセン教授で構成されています。バックネル大学の教授とASUのエフゲニヤ・シュコルニク教授。 彼らは、米国の国立電波天文台 (NRAO) が管理するカール G. ジャンスキー超大型アレイ、超長基線アレイ、ロバート C. バード グリーンバンク望遠鏡と、マックス プランク研究所が運営するエフェルスベルク電波望遠鏡を使用しました。ドイツの電波天文学の高感度アレイのために。