天文学者、これまでで最も詳細なビデオで星の表面の泡を追跡

恒星は赤色巨星になっても味噌汁のお椀の様に対流している。しかも予想以上に速度が速い。
天文学者、これまでで最も詳細なビデオで星の表面の泡を追跡
2024年9月11日

3 枚の画像が並んでおり、左から右にそれぞれ「2023-07-18」、「2023-07-27」、「2023-08-02」とラベルが付けられています。各画像には、粒状の茶色の背景に、暗い部分と明るい部分の入ったぼやけた黄色の球体が写っています。各画像間で、この部分が移動して変化しています。最初の画像の左下には、黄色の球体よりわずかに小さい円の輪郭に「地球の軌道」というラベルが付けられています。
天文学者たちは初めて、太陽以外の恒星の画像を、その表面で泡立つガスの動きを追跡できるほど詳細に撮影した。かじき座R星の画像は、2023年7月と8月に、ヨーロッパ南天天文台（ESO）が共同所有する望遠鏡、アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計（ALMA）で撮影された。画像には、太陽の75倍の大きさの巨大で熱いガスの泡が表面に現れ、予想よりも速いスピードで恒星の内部に沈んでいく様子が写っている。

「実際の恒星の泡立つ表面をこのような形で示すことができたのは初めてです」と、スウェーデンのチャルマース工科大学の教授であり、本日 ネイチャー誌に掲載された研究論文の筆頭著者であるウーター・フレミングス氏は述べている[1]。「恒星表面の対流の詳細をこれほど詳しく見ることができるほど、データの品質が高いとは予想していませんでした。」

恒星は核融合反応によって中心核でエネルギーを生み出します。このエネルギーは、巨大な高温のガスの泡となって星の表面に向かって運ばれ、その後冷えて沈んでいきます。溶岩ランプのようなものです。この混合運動は対流と呼ばれ、中心核で生成された炭素や窒素などの重元素を星全体に分配します。また、この運動は、これらの元素を宇宙に運び、新しい恒星や惑星を形成する恒星風の原因であると考えられています。

これまで、太陽以外の恒星における対流運動は詳細に追跡されたことがありませんでした。研究チームは、ALMA を使用することで、かぎ針座 R 星の表面の高解像度画像を 1 か月かけて取得することができました。かぎ針座 R 星は赤色巨星で、直径は太陽の約 350 倍あり、地球から約 180 光年離れたかぎ針座にあります。その大きさと地球への近さから、詳細な観測には理想的な対象となっています。さらに、その質量は太陽とほぼ同じであるため、かぎ針座 R 星は、赤色巨星になった後の 50 億年後の太陽の姿とかなり似ていると考えられます。

「対流は太陽の表面に見られる美しい粒状構造を作り出しますが、他の星ではそれを見ることは困難です」と、この研究の共著者であるチャルマース大学の研究者テオ・コウリ氏は付け加えます。「アルマ望遠鏡のおかげで、太陽の75倍の大きさの対流粒状物を直接見ることができただけでなく、初めてその移動速度を測定することもできるようになりました。」

ドラダスR星の粒子は1か月周期で動いているように見えるが、これは太陽の対流の仕組みに基づいて科学者が予想していたよりも速い。「違いの理由はまだわかっていません。星が年を取るにつれて、対流は私たちがまだ理解していない方法で変化するようです」と、ヴレミングス氏は言う。現在ドラダスR星で行われているような観測は、太陽のような星がドラダスR星のように冷たく、大きく、泡立つように成長したときでも、その振る舞いを理解するのに役立っている。

「遠く離れた星の表面の詳細を直接撮影し、これまでは主に太陽でしか観測できなかった物理現象を観測できるようになったのは素晴らしいことです」と、この研究にも参加したチャルマース大学の博士課程の学生、ベザド・ボイノディ・アルバブ氏は結論付けている。

注記
[1] 対流泡は、ESOの超大型望遠鏡干渉計に搭載されたPIONIER装置などによって、これまで星の表面で詳細に観測されてきました。しかし、新しいALMA観測では、これまでは不可能だった方法で泡の動きを追跡しています。

詳細情報
この研究は、「巨大に進化した恒星の表面における1か月間の対流時間スケール」と題された論文で発表され、Natureに掲載される予定です （doi:10.1038/s41586-024-07836-9）。

チームは、W. Vlemmings (スウェーデンの Chalmers 工科大学 [Chalmers])、T. Khouri (Chalmers)、B. Bojnordi (Chalmers)、E. De Beck (Chalmers)、および M. Maercker (Chalmers) で構成されています。

国際天文学施設であるアタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計（ALMA）は、ESO、米国国立科学財団（NSF）、日本の自然科学研究機構（NINS）がチリ共和国と協力して設立したパートナーシップです。ALMAは、加盟国を代表してESO、カナダ国立研究会議（NRC）および台湾の国家科学技術会議（NSTC）と協力したNSF、台湾の中央研究院（AS）および韓国天文宇宙科学研究院（KASI）と協力したNINSによって資金提供されています。ALMAの建設と運用は、加盟国を代表してESOが主導し、北米を代表してAssociated Universities, Inc.（AUI）が管理する国立電波天文台（NRAO）、東アジアを代表して国立天文台（NAOJ）が主導しています。合同 ALMA 観測所 (JAO) は、ALMA の建設、運用、運用の統一的なリーダーシップと管理を提供します。

ヨーロッパ南天天文台（ESO）は、世界中の科学者が宇宙の秘密を解明し、すべての人に役立てることを可能にしています。私たちは地上の世界クラスの天文台を設計、構築、運用しています。天文学者はこれらの天文台を使用して、興味深い疑問に取り組み、天文学の魅力を広めています。また、天文学の国際協力を推進しています。1962年に政府間組織として設立されたESOは、現在、16の加盟国（オーストリア、ベルギー、チェコ、デンマーク、フランス、フィンランド、ドイツ、アイルランド、イタリア、オランダ、ポーランド、ポルトガル、スペイン、スウェーデン、スイス、英国）と、ホスト国のチリ、そして戦略パートナーとしてのオーストラリアによってサポートされています。ESOの本部とビジターセンター兼プラネタリウムであるESOスーパーノヴァは、ドイツのミュンヘンの近くにあります。一方、空を観察するのに独特の条件を備えた素晴らしい場所であるチリのアタカマ砂漠には、私たちの望遠鏡が設置されています。 ESO は、ラ・シヤ、パラナル、チャナントールの 3 つの観測所を運営しています。ESO はパラナルで、超大型望遠鏡とその超大型望遠鏡干渉計、および VISTA などの調査望遠鏡を運用しています。また、ESO はパラナルで、世界最大かつ最も感度の高いガンマ線観測所であるチェレンコフ望遠鏡アレイ サウスを主催および運用します。ESO は国際パートナーとともに、チャナントールで ALMA を運用しています。これは、ミリメートルおよびサブミリメートルの範囲で空を観測する施設です。パラナル近郊のセロ アルマゾネスでは、「世界最大の空を見る目」である ESO の超大型望遠鏡を建設しています。チリのサンティアゴにあるオフィスから、私たちはチリでの活動をサポートし、チリのパートナーや社会と関わっています。

リンク
研究論文
ALMAの写真

図 1: AGB 星 R Doradus の恒星表面。パネルは、338 GHz での ALMA 観測の最高角度分解能の 3 つの時代を表しています。パネル内の黒い楕円は、この周波数での恒星円盤の平均サイズを示しています。赤い実線の輪郭と青い破線の輪郭は、恒星円盤の平均放射に対する正と負の 4、5、6σ の特徴を示しています。干渉ビームのサイズと方向は、各パネルの左下に表示されます。

R DORADOの位置

ドラダスR星と周囲の空の広視野画像