なぜ宇宙には「両面惑星」が隠されているのでしょうか?

制作：中国科学普及協会

著者: シュウ・ボー（ポピュラーサイエンスクリエイター）

プロデューサー: 中国科学博覧会

古代ローマ神話では、二面性のある神ヤヌスは、一つは未来を見つめ、もう一つは歴史を振り返る二つの顔を持っています。古代人が遠くの空を見つめるヤヌスの彫刻を作ったとき、おそらく2000年後に天文学者が宇宙で奇妙な両面惑星を発見することになるとは想像もしていなかっただろう。ヤヌス同様、異なる方向から見ると全く異なる二つの顔を見せました。

バチカン美術館のヤヌス像

(画像出典: Wikipedia)

半分水素、半分ヘリウムの白色矮星

両面惑星の最初のタイプは、特殊なタイプの白色矮星です。星の主成分は宇宙で最も軽い元素である水素で、これが核融合反応でヘリウムなどのより重い元素に結合し、燃焼エネルギーを放出します。太陽のような小さな恒星は、中心核の水素がなくなると、ヘリウムを燃焼する赤色巨星に膨張し、より重い元素である炭素と酸素を生成します。赤色巨星が最終的に死ぬと、主に炭素と酸素で構成された残骸、つまり白色矮星が残ります。

しかし、観測によれば、白色矮星の外層大気は普通の恒星と同じで、主に水素やヘリウムで構成されています。統計によると、白色矮星の大気の80%は主に水素で構成され、20%は主にヘリウムで構成されています。白色矮星の大気は、人体のさまざまな「血液型」と同じように、さまざまな組成を持っているようです。

しかし、人間の血液型はA、B、AB、Oの4種類だけではありません。Rhマイナスの血液など、まれに「パンダの血液型」も存在し、白色矮星でも同様です。

2023年、天文学者たちは珍しい大気を持つ白色矮星を観測し、 ZTF J203349.8+322901.1と番号が付けられた。それは白鳥座の方向に位置し、地球から1,000光年以上離れており、15分ごとに1回転します。

両面を持つ白色矮星で、水素の大気がある側は滑らかですが、ヘリウムの大気がある側は米粒のような泡で満たされています。

（画像出典：カリフォルニア工科大学公式サイト）

科学者たちはこの白色矮星の大気の組成を検出したとき、その大気が2つの側に分かれているように見えることに驚きました。片面は主に水素で構成されており、滑らかな表面をしており、もう片面は主にヘリウムで構成されており、米粒状の泡で満たされていました。

この白色矮星の奇妙な大気はどこから来るのでしょうか?科学者たちは、白色矮星の大気は穏やかではなく常に変化しており、特定の要因の干渉によって特殊な状態になっていると推測しています。

最初は、白色矮星の大気は主に水素で構成されています。これは、水素とヘリウムという 2 つの元素がランダムに混合されるわけではないためです。ヘリウムは水素よりも重いため、ゆっくりと底に沈んでヘリウム層を形成しますが、水素層はまだ大気の外層に浮かんでいます。白色矮星を観察すると、その大気は主に水素で構成されていることがわかります。

極めて低質量の白色矮星の模式図

極低質量白色矮星は、重要な科学的価値を持つヘリウム白色矮星の一種であり、その質量は一般に太陽質量の 0.3 倍未満です。

(画像提供: Caltech/IPAC)

その後、白色矮星の大気の組成に対する温度の影響が明らかになりました。白色矮星は、光も熱も放出できなくなり、ゆっくりと冷える残留熱だけを持つ絶滅した星から生まれます。温度が約3万℃まで下がると、水素層とその下のヘリウム層が徐々に混ざり合い、白色矮星の大気は水素主体からヘリウム主体へと変化します。

しかし、上記の変化はすべて全体として起こりました。この白色矮星は半分が水素、半分がヘリウムでできており、磁場がその原因である可能性が高いと推測されています。

星はプラズマの炎の巨大な球体です。内部の電磁気活動は非常に激しく、強力な磁場を発生させ、星の表面温度に影響を与える可能性があります。

私たちがよく知る太陽を例にとると、その表面には磁場が非常に強い領域が数多くあります。そこでは、太陽内部から表面に向かって湧き上がる対流が磁場によって抑制され、地球からは黒く見える比較的温度の低い領域が形成されます。これらは太陽黒点です。

磁場には2つの極があるため、太陽黒点はペアで現れることが多いです。

（写真提供：香港天文博物館）

星が燃え尽きて白色矮星や中性子星になった後も、磁場は消えることなく存在し続けます。

両面白色矮星を発見した科学者たちは、非対称の磁場が原因かもしれないと推測した。

片側の磁場が強くなり、ヘリウム層が巻き上がる「リズム」が抑制されるため、ここに水素型の大気が現れ、表面は穏やかで滑らかに見えます。一方、反対側の磁場は弱く、ヘリウム層はよりスムーズに巻き上がり、ここでの大気の半分がまずヘリウム型に変わり、表面も泡で覆われます。

半分黒、半分白

両面白色矮星は私たちからあまりにも遠く離れているため、現在の説明が正しいかどうかは、将来、同様の白色矮星をさらに観測する必要がある。

実際、ヤヌスのような二面性を持つ奇妙な物体は、それほど遠くにあるわけではありません。太陽系内の私たちからそう遠くないところに、半分が黒く半分が白い物体があります。土星の3番目に大きい衛星、イアペトゥスです。

イアペトゥスの二つの側面

(画像提供: NASA)

イアペトゥスは直径約1,500キロメートルの球体です。その象徴的な外観は、両面がはっきりとした黒と白の色で、片面が黒で、もう片面が白で、映画「スターウォーズ」の「デススター」に非常に似ています。

300年以上前、天文学者カッシーニがこの衛星を発見したとき、彼は、タイタンの8番目の衛星の明るさが、観測時期によって5～6倍も変わることがあるという異常な事実に気づきました。これはイアペトゥスの片側が非常に明るく、反対側が非常に暗いためだと彼は推測した。後の世代はより先進的な望遠鏡で観測し、彼の推測が正しいことを証明しました。

では、イアペトゥスの黒と白の色調はどこから来ているのでしょうか?

まずは白についてお話しましょう。太陽から遠いイアペトゥスなどの衛星は氷が豊富で、氷の色は白色です。黒はどうですか？暗い部分はイアペトゥスの表面にある有機化合物によって形成され、直射日光によって焼かれて黒くなったものです。

イアペトゥスの両側の接合部

(画像提供: NASA)

しかし、なぜ明るい色の領域と暗い色の領域が集中し、それぞれが地球の半分を占めているのでしょうか?

現在、科学界の主流の説明は、イアペトゥスの自転が遅すぎることが原因だということです。

タイタンが一回転するのに79日かかります。この期間中、日が当たる側と日陰側の温度差がますます大きくなり、「熱フィードバック」効果が形成されます。

常識的に考えて、黒い服は白い服よりも熱を吸収しやすいのですが、タイタンの表面の物質も例外ではありません。

暗い色の物質で覆われた領域は、明るい色の物質で覆われた領域よりも熱を吸収しやすいため、その部分の氷は昇華してガスになり、地面から大気中に流れ込み、冷たく日陰の側に流れ、地面で凝縮して再び氷に戻り、その領域が白くなります。

太陽系のさまざまな天体

（写真提供：Veer Gallery）

当初、イアペトゥスの表面の氷はわずかな量しか移動せず、惑星表面のさまざまな部分間の色の違いは最小限でした。しかし、数十億年の変化を経て、暗い側はますます暗くなり、反対側は流れていく氷によってますます白く「塗られて」いった。したがって、タイタンの 8 番目の衛星は「陰陽の顔」を持っています。

実際、太陽系では、大気から運ばれてきた物質によって染色される天体はタイタンだけではありません。例えば、冥王星の最大の衛星であるカロンは、冥王星の惑星間軌道によって染められた衛星です。

冥王星とカロンは色が非常に異なります。冥王星は「トーリン」と呼ばれる赤い物質で覆われているため、その表面の大部分は赤色です。カロンの表面のほとんどは白色ですが、その極は冥王星のように赤色です。

2015年にニューホライズンズ探査機が撮影した冥王星とその衛星カロン

(画像出典: Wikipedia)

冥王星の表面の氷の物質は太陽光の下でガスに変わるため、薄い大気も存在します。冥王星とカロンの間の距離は2万キロメートル未満で、これは地球と月の間の距離の約20分の1です。冥王星の大気中の多くの物質が、トーリンを含め、隣の惑星へと流れ込んできました。この赤い物質はカロンの極で凍り、その一帯を赤く染めました。

結論

はるか遠くの空の白色矮星であれ、すぐ近くにある太陽系であれ、宇宙には常にあらゆる種類の奇妙で風変わりな天体が、その背後にある秘密を解明するのを待っているようです。

ヤヌスのように現代科学を習得した人間は、過去と未来の両方に探究の焦点を当て、歴史的知識から学びながら、新たな探究のフロンティアに触れます。将来さらに素晴らしい発見があると信じています。

参考文献:

[1] 孔暁、羅阿里。天体調査プロジェクトにおける白色矮星の探索[J]。天文学の進歩、2019年、37(03):287-303。

[2]奇妙な二面性を持つ死にゆく星「ヤヌス」が宇宙の奇妙さで科学者を困惑させる、Space.com、モニシャ・ラヴィセッティ著、2023年7月20日公開。

[3]カイアッツォ、イラリア、他「回転する白色矮星は、反対側の面で異なる組成を示します。」ネイチャー（2023）：1-6。

[4]ラペトゥス：土星の陰陽の衛星、Space.com、ノーラ・テイラー・ティルマン著、2016年6月28日発行。

[5]科学者が冥王星の赤い月の理由を説明、ノーラ・テイラー・ティルマン著、SPACE.com、2016年9月14日。