太陽系に「存在するはずのない」リングが出現

欧州宇宙機関（ESA）のCheops（系外惑星特性評価衛星）ミッションは、他の恒星を周回する惑星の観測の合間に、太陽系の準惑星の周囲に予想外に密度の高い物質のリングを発見する決定的な貢献を果たした。

新たに発見されたリングは、クワオアーと名付けられた準惑星の半径の約7.5倍の距離に位置しており、天文学者にとって新たな謎となっている。なぜこの物質が小さな衛星に融合しなかったのか？

Quaoar とそのリングシステムの概略図。画像クレジット: ESA、CC BY-SA 3.0 IGO

太陽系の遠くの天体を観測する方法

天文学者たちは、2018年から2021年にかけて行われた一連の観測を通じて、この予想外のリング系を発見した。複数の地上望遠鏡と宇宙ベースの太陽系外惑星特性衛星（CESAT）を使用して、天文学者たちは、クワオアーが彼らの前を通過する際に、一連の遠くの星の光を一時的に遮るのを観測した。

この天文現象は掩蔽と呼ばれます。隠された星からの光がどのように減少するかを観察すると、隠されている物体の大きさや形に関する情報が得られ、大気があるかどうかも明らかになります。予想外にも、掩蔽の前後に明るさが2回低下し、クワオアの周囲にリング系が存在することを示唆した。しかし、これらのリングは非常に小さく、非常にかすかです。

クワオアーは太陽系外縁天体 (TNO) です。太陽系外天体（海外天体とも呼ばれる）は、遠方にある一連の小天体です。私たちはこれらの物体を約 3,000 個知っています。名前が示すように、海洋横断天体は太陽系の外側に存在し、平均軌道距離は海王星の半長径 (30.1AU) よりも長い。冥王星とエリスは、知られている最大の海洋横断天体です。クワオアーは半径が555kmと推定され、知られている中で7番目に大きいTNOであり、半径約80kmのウェイウォットという小さな衛星を持っています。

これらの準惑星は小さく、非常に遠いため、研究するのは簡単ではありません。クワオアー自体は、地球のほぼ 44 倍の距離を太陽の周りを回っています。したがって、掩蔽現象は特に貴重な研究ツールとなります。しかし最近まで、天文学者にとって、それがいつどこで起こるかを正確に予測することは困難でした。

掩蔽を観測するには、掩蔽する物体 (この場合は TNO)、星、観測望遠鏡の間の位置合わせが非常に正確でなければなりません。これまでは、この厳しい精度要件を満たすことはほぼ不可能であり、掩蔽現象を観測できるかどうかは保証できませんでした。この目標を達成するために、欧州研究会議の「ラッキースター」プロジェクトが創設され、ソルボンヌ大学のブルーノ・シカルディとPSLの宇宙科学および天体物理学計測研究所（LESIA）のパリ天文台が調整し、今後の海外の掩蔽現象を予測し、世界中の専門およびアマチュアの天文台によるこれらの現象の観測を調整しています。

正確な位置合わせ

観測される恒星掩蔽の数は最近増加しているが、これは主に ESA の星図作成ミッション Gaia からのデータ提供によるものである。 Gaia は星の位置に関する非常に正確なデータを提供するため、LuckyStar チームの予測はさらに確実なものになります。

ESA の太陽系外惑星特性評価衛星 (ECS) ミッションのプロジェクト科学者であるケイト・アイザック氏は、宇宙望遠鏡でも掩蔽現象を検出できるかどうか興味を持ち、イタリア国立天体物理学研究所 (INAF)、カターニア天体物理観測所のイザベラ・パガーノ氏に連絡を取りました。パガーノ氏は、ESA 太陽系外惑星特性評価衛星 (ECS) ミッション管理チームのメンバーであり、LuckyStar プロジェクトのメンバーでもあります。

「太陽系外惑星特性衛星を使ってこれを行うことに少し懐疑的でした」とイザベラは認めた。 「しかし、私たちは実現可能性を検討しました。」

主な問題は、地球の大気圏上層の抗力により衛星の軌道がわずかに変化する可能性があることです。これは、予測不可能な太陽活動が地球に衝突し、地球の大気が膨張する原因です。

実際、研究チームが最初にEXOSを使用して冥王星の掩蔽現象を観測しようとしたとき、予測は十分に正確ではなく、掩蔽は観測されませんでした。

2度目の調整の試みの後、彼らはクワオアーを観測し、その過程で宇宙からの海洋横断物体による星の掩蔽を初めて検出した。

あの指輪を見て

太陽系外惑星特性評価衛星の概略図 画像提供: ESA / ATG medialab

「EXOPASデータの信号対雑音比は驚くべきものです」とイザベラ氏は語った。信号対雑音比は、システム内のランダムノイズに対する検出された信号の強さを測る指標です。 EXOPAS は、地球の下層大気によって観測結果が歪められないため、優れた信号対雑音比を実現します。

この高い信号対雑音比はクワオアーの環系を特定する上で決定的なものであり、研究者らは明るさの低下が地球の大気からの干渉によって引き起こされた可能性を排除することができた。地上の望遠鏡で撮影されたいくつかの二次検出を組み合わせることで、それらがクワオアの周りのリングシステムによって引き起こされたと判断することができました。

ブラジルのリオデジャネイロ連邦大学のブルーノ・モルガド氏が、太陽系外惑星特性探索衛星のデータと、世界中の大規模な専門天文台や、過去数年間のクワオア掩蔽現象中にさまざまな星を観察してきたアマチュアの市民科学者のデータとを組み合わせて分析を主導した。 「すべてのデータをまとめると、明るさの低下はクワオアー自体によるものではなく、その周りを円軌道で回っている何らかの物質の存在によるものであることが分かりました。それを見てすぐに、『よし、クワオアーの周りにリングが見える』と思いました」この研究はネイチャー誌に掲載されている。

環系といえば、土星の環が最も有名です。土星は、塵の集まりと小さな衛星が惑星の赤道を周回する、環状の惑星として知られています。土星の環は見た目には壮観だが、実際には非常に小さな環系であり、その総質量は土星の衛星ミマスのわずか3分の1から半分、あるいは地球の南極の棚氷の約半分の質量しかない。

クワオアーの環は土星の環よりずっと小さいですが、同じくらい魅力的です。これは、準惑星や小惑星の周囲に存在することが知られている唯一のリング系ではありません。天文学者たちは地上観測を通じてさらに2つの衛星を発見した。1つはカリクロの周囲、もう1つはハウメアの周囲である。しかし、クワオア リングのユニークな点は、クワオア自体に対する位置です。

ロシュの限界を超えて

大きな重力場を持つ天体には、粉々に引き裂かれる限界がある。この限界はロッシュ限界と呼ばれます。土星、カイロン、ハウメアの場合のように、ロッシュ限界内には理論的には高密度のリングシステムが存在するはずです。

「クワオアーの周りでのこの発見で興味深いのは、このリングがロッシュ限界よりもさらに外側に位置していることだ」とイタリア国立天体物理学研究所カターニア天体物理観測所のジョバンニ・ブルーノ氏は語った。

これは謎である。なぜなら、従来の理論によれば、ロッシュ限界を超えるリングは、わずか数十年で小さな衛星に合体するはずだからだ。 「我々の観察に基づくと、コンパクトな環系は惑星のロッシュ限界内でのみ存在できるとする古典理論は完全に改訂されなければならない」とジョバンニ氏は語った。

初期の結果では、クワオアーの極端に低い気温が氷の粒子がくっつくのを防ぐ役割を果たしている可能性が示唆されているが、さらなる調査が必要である。

「EXOPS の観測は、高精度測光法の応用において、このミッションのより典型的な太陽系外惑星科学の域を超え、クワオアの周囲にリング系が存在することを確認する上で重要な役割を果たしました」とケイト氏は語った。

理論家たちがクワオアーの環の存在の仕組みを解明し始める中、ラッキースター計画はクワオアーや他のTNOの観測を継続し、遠方の恒星の光を遮る際の物理的特性を測定し、環系を持つ他のTNOがいくつあるかを調べる予定だ。

太陽系外惑星特性探索衛星は当初のミッションに戻り、近隣の太陽系外惑星の研究を継続します。

太陽系外惑星特性評価衛星について

ESA は、スイスのベルン大学が主導する専用コンソーシアムと共同でこのミッションを開発しており、オーストリア、ベルギー、フランス、ドイツ、ハンガリー、イタリア、ポルトガル、スペイン、スウェーデン、イギリスからの重要な貢献を受けています。

ESA は、太陽系外惑星特性探索 (ECO) ミッションの設計者であり、衛星の調達とテスト、打ち上げと初期運用、軌道上での試運転、そして世界中の科学者が ECO 衛星を使用して観測を行うために応募できるゲスト観測者プログラムを担当しています。スイスが主導する ESA 加盟国 11 か国のコンソーシアムが、このミッションの基本資金を提供します。宇宙船の設計と建造の主契約者は、スペインのマドリードに本拠を置くエアバス・ディフェンス・アンド・スペース社です。