宇宙は摂氏8000度、太陽よりも熱い惑星です！

制作：中国科学普及協会

著者: ファン・ホーフェイ (英国エディンバラ王立天文台)

プロデューサー: 中国科学博覧会

宇宙の熱い天体について話すとき、私たちは太陽以外の星を思い浮かべます。しかし、恒星になれなかった天体は必ずしも穏やかであるのでしょうか?おそらく、答えを出す前に考える必要があるでしょう。最近発見された天体WD 0032-317Bの表面温度は摂氏約8,000度まで上昇した。つまり、太陽の表面温度はそれに比べれば取るに足らないものなのです。

このような高温はどのようにして発生したのでしょうか?一緒に天体の謎を解き明かしましょう。

恒星の死、白色矮星の誕生

宇宙における核反応は主に核融合です。水素などの軽い元素が数億度の高温にさらされ、より重い元素に凝集してエネルギーを放出します。私たちの太陽を含むすべての星は、このようにしてエネルギーを生成します。核融合が停止すると、残った物質は放射性ではなくなり、比較的ずっと「きれい」になります。

太陽は、他のすべての星と同様に、核融合と呼ばれる反応によってエネルギーを得ています。 (画像提供: NASA/SDO/AIA)

もし核融合が地球上で再現できれば、世界のエネルギー需要を満たすクリーンで安全かつ安価なエネルギーを事実上無制限に供給できる可能性がある。

恒星の場合、このプロセスは恒星の死の段階と呼ばれます。恒星の通常の寿命の間、核融合は中心核領域に集中しています。数百年、あるいは数百億年もの燃焼の後、中心部の水素は消費され、より重い元素、つまりヘリウム、さらには炭素や酸素が徐々に生成されました...

燃料が消費されると、星の中心部は外向きの熱圧を発生しなくなり、徐々に自身の重さで押しつぶされ、一定の大きさになるまで内側に縮みます。破片内部の電子の反発力は徐々に増大し、破片自身の質量によって生じる重力とちょうど相殺します。このとき、星の巨大な中心核は小さな球状に収縮しています。死んだ恒星の核反応の残骸は、新しいタイプの天体である白色矮星を形成します。

白色矮星（画像提供：Veer Library）

白色矮星は質量は軽いわけではないが、大きさは非常に小さい。 WD 0032-317 を例に挙げます。質量は太陽の 40% ですが、直径は太陽の 3% 未満で、密度は太陽の数万倍です。このように、熱を放散できる表面積は非常に小さく、星の死後も残留する高温が長期間維持される可能性があります。

この白色矮星の年齢はわずか 100 万年ほどであると推測されますが、これはまさに WD 0032-317 の理論推定年齢と一致します。この短い冷却期間は、星の寿命である数十億年に比べれば無視できるほど小さいものですが、それでも37,000度という高温が保たれており、これは青色巨星のレベルに相当する太陽の表面温度5,500度よりもはるかに高いものです。

WD0032-317の実際の観測された放射変化曲線。

白色矮星と褐色矮星が軌道を回ると（上図）、地球上で観測される白色矮星の放射量は周期的に変化する（画像出典：文献[1]）

白色矮星は放射性崩壊によってエネルギーを生み出すわけではありませんが、純粋に高温によって生み出されるエネルギーも驚異的です。熱エネルギーは主に紫外線や可視光線の形で放出され、地球のオゾンホールから放射される発がん性のある紫外線などは大きな生物学的分子を分解するのに十分です。

WD 0032-317 の周囲の惑星は、この激しい抱擁に耐えました。

褐色矮星：これまでに知られている中で最も昼と夜の温度差が大きい惑星

WD 0032-317B、「WD」は「白色矮星」の略です。数字の後に「B」を追加すると、このシステムの 2 番目の天体である褐色矮星 WD 0032-317B を表します。

褐色矮星の想像図（画像提供：NASA）

太陽系の天体に例えると、褐色矮星は木星に少し似ています。これらもガス凝縮体ですが、木星よりも重く、質量はおおよそ木星の13〜80倍です。

WD 0032-317B の重さは木星の 79 倍です。さらに深刻な場合は、自己重力による内部圧力の上昇により中心核領域で核反応が起こり、恒星と化してしまう。

そのため、WD 0032-317B は巨大ガス惑星の中では「一般」ですが、実際には恒星族の中では「矮小」です。

それだけでなく、この惑星は「潮汐固定」された惑星でもあります。白色矮星の重力によって軌道が変化し、月と同じように自転と公転の周期が徐々に同期していきます。

そのため、WD 0032-317B には常に白色矮星に面する面が 1 つだけあり、この面は「昼側」と呼ばれます。白色矮星から放出されるエネルギーがこの側に注ぎ込まれ、常に昼間のように明るくなります。反対側では、褐色矮星が白色矮星の光を遮り、直接光ることはないため、「夜側」と呼ばれます。

天文学者たちはWD 0032-317Bの測定を行いました。分析の結果、 WD 0032-317Bの昼側の温度は摂氏約8000度に達したことが判明した。その前では太陽は暗く見えます。太陽の表面温度は摂氏 5500 度で、それよりも摂氏 2000 度以上も低いのです。

WD 0032-317B の昼側と夜側の温度推定図。

紫と灰色の曲線はそれぞれ夜側と昼側のエネルギー分布を表し、空色の曲線は白色矮星のエネルギー分布を表し、黒い曲線は全体のエネルギー分布を表しています。 （画像出典：参考文献[1]）

夜側では白色矮星が照らされていないため、褐色矮星の表面温度が急激に摂氏2000度程度まで下がります。これは昼と夜の温度差が最も大きく、摂氏6000度に達する惑星として知られています。

ガス状の褐色矮星は宇宙で白色矮星の周りを回っており、その表面は太陽の表面よりも熱い熱波にさらされています。人間がそのような惑星で生き残ることは明らかに不可能であり、近づくことさえできない。褐色矮星の表面温度は鋼鉄の沸点よりもはるかに高く、昼側ではダイヤモンドでさえ沸騰します。

この強力なエネルギーのため、褐色矮星は激しい内部乱流を経験し、さらには自身の物質を宇宙空間に放出する可能性もあります。 WD 0032-317B ではまだ確認されていませんが、同様の天体である KELT-9b ではこの現象が観測されています。昼側では摂氏4,300度で、彗星のような物質の流出が見られます。

白色矮星からのエネルギー放出によって引き起こされる惑星物質の蒸発の模式図（画像提供：EarthSky 公式サイト）

白色矮星と褐色矮星：天文学研究に最適な組み合わせ

もちろん、WD 0032-317B のこの観測研究は、宇宙における単なる好奇心ではなく、惑星進化の研究にも重要な意味を持っています。

褐色矮星は木星とほぼ同じ大きさで非常に高温であるため、恒星の非常に近くを周回する巨大ガス惑星、いわゆる「ホット ジュピター」に類似していると考えられます。

ホット ジュピターは現在、惑星進化の分野で注目されている話題です。通常、これらの天体は、高温で明るい大質量の恒星の周りを公転しており、そのまぶしい光に隠れているため、検出が困難です。

2つのホットジュピターと木星と地球の大きさの比較の模式図（画像提供：中国科学院）

これまで、人々は重力の影響を通じて間接的にホット ジュピターを検出することしかできませんでした。つまり、ホット ジュピターの重力の影響下にある対応する星のわずかな運動異常を検出することしかできませんでした。しかし、これらの恒星自体は高速で回転し、大量の恒星風物質を放出することが多く、その動きが異常であるかどうかを測定することは困難です。

白色矮星と褐色矮星の組み合わせは、恒星熱木星の代替として特に有利です。

まず、白色矮星は小さいので、褐色矮星は白色矮星に十分近くなり、十分に加熱される可能性があります。

第二に、白色矮星は発光表面積が小さく、ホット・ジュピターの恒星より​​もはるかに暗いため、周囲の褐色矮星を覆い隠すことがなく、間接的な検出を必要とせずに褐色矮星を直接撮影できる可能性が高くなります。

さらに、WD0032-317 および WD0032-317B システム自体も、恒星の最終的な進化に関する新しい情報を提供します。観測によれば、褐色矮星の年齢は数十億年であるはずだ。しかし、白色矮星の質量は非常に小さいため、その祖先の恒星の寿命はより長いはずです。研究者たちは、褐色矮星が以前に白色矮星の進化に関与し、その祖先の恒星の死を加速させた可能性があると考えている。

結論

20 年前、WD 0032-317B も天文学者の目に留まりましたが、無視されていました。 **当時は夜側が地球に面しており、望遠鏡では十分に目立ちませんでした。 **おそらく、当時の科学者が十分に高度な観測機器を持っていなかったためか、あるいは宇宙の探査が容易な作業ではなかったためでしょう。

20年後、WD 0032-317Bは再び人々の注目を集めました。将来、科学者は高解像度の望遠鏡の助けを借りて、WD 0032-317Bの3次元大気モデルを構築し、昼側と夜側の間のこれほど大きな温度差がどのように分布しているかを明らかにし、同様の巨大ガス惑星についての理解をさらに深めることができるようになると信じています。

高温惑星 WD 0032-317B に関するさらなるストーリーが近々公開されます。宇宙の星々に関するさらなる発見が私たちを待っています。

参考文献:

[1] Na'ama Hallakoun、Dan Maoz、Alina G. Istrate 他。太陽よりも熱い、放射線を浴びた木星類似物。

[2] エリザベス・ガミロ天文学者たちは太陽よりも熱い褐色矮星を発見した。

[3] 白色矮星から放射線を浴びた褐色矮星の大気モデル：高温および超高温木星の類似物。ジョシュア・D・ロトリンガーとサラ・L・ケースウェル。 2020 APJ 905 163.DOI: 10.3847/1538-4357/abc5bc