NASAのローマ望遠鏡はどのように星の年齢を測定するのか

NASAのローマ望遠鏡はどのように星の年齢を測定するのか
クリスティーン・プリアム
宇宙望遠鏡科学研究所
2024年 4月 4日
記事
自分の年齢を推測するのはカーニバルの人気のゲームかもしれませんが、天文学者にとって星の年齢を決定するのは本当の挑戦です。私たちの太陽のような星は、一旦定常的な核融合、つまりその一生の成熟段階に落ち着くと、数十億年間ほとんど変化しません。この規則の 1 つの例外は、星の自転周期、つまり星の回転速度です。 NASA のナンシー グレース ローマン宇宙望遠鏡は、数十万の星の自転周期を測定することで、2027 年 5 月までに打ち上げられ、天の川銀河の恒星集団について新たな理解をもたらすと約束しています。

星は生まれてから高速で回転します。しかし、太陽の質量以下の恒星は、数十億年かけて徐々に減速していきます。この速度の低下は、星風として知られる荷電粒子の流れと星自体の磁場の間の相互作用によって引き起こされます。この相互作用により角運動量が取り除かれ、アイススケート選手が腕を伸ばすと速度が低下するのと同じように、星の回転がより遅くなります。

磁気ブレーキと呼ばれるこの効果は、星の磁場の強さに応じて変化します。より速く自転する星はより強い磁場を持ち、そのため速度がより速く減速します。これらの磁場の影響により、約10億年後、同じ質量と年齢の星は同じ速度で回転します。したがって、星の質量と自転速度がわかれば、その年齢を推定できる可能性があります。多数の星の年齢を知ることで、私たちの銀河が時間の経過とともにどのように形成され、進化したかを研究することができます。

星の回転の測定
天文学者はどのようにして遠くの星の回転速度を測定するのでしょうか?彼らは、星黒点による星の明るさの変化を探します。星黒点は、太陽の黒点と同様、星の表面にある温度が低く、暗い斑点です。星点が視界内にあるとき、星はその点が星の反対側にあるときよりもわずかに暗くなります。


黒点のある太陽の画像
この太陽の画像は、NASA の太陽力学観測所によって 2012 年 8 月に撮影されました。たくさんの黒点が見えます。他の星にも星斑が発生し、その斑点が回転して視界に入ったり見えなくなったりするにつれて、観測される星の明るさが変化します。明るさの変化を測定することで、天文学者は星の自転周期を推測することができます。 NASA のナンシー グレース ローマン宇宙望遠鏡は、天の川銀河の中心方向に位置する数十万の星の明るさの測定値を収集し、それらの回転速度に関する情報を得る予定です。
クレジット: NASA
星に大きな斑点が 1 つある場合、その斑点が回転して視界に入ったり見えなくなったりするときに、規則的なパターンで暗くなったり明るくなったりします。 （この減光は、通過する系外惑星によって引き起こされる同様の影響とは区別できます。）しかし、恒星には一度にその表面に数十の点が点在することがあり、それらの点は時間の経過とともに変化するため、周期性を明らかにするのがはるかに困難になります。星の回転から暗くなる信号。

人工知能の応用
フロリダ大学の天文学者チームは、NASAのナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡プロジェクトの資金提供を受けたプログラムを通じて、星の明るさの経時的な測定値から自転周期を抽出する新しい技術を開発している。

彼らは、畳み込みニューラル ネットワークとして知られる一種の人工知能を使用して、光度曲線、つまり時間の経過に伴う星の明るさのプロットを分析しています。これを行うには、まずニューラル ネットワークをシミュレートされた光度曲線でトレーニングする必要があります。このプロジェクトの科学主任研究員であるフロリダ大学博士研究員ザカリー・クレイター氏は、そのような光曲線を生成する「バタピー」と呼ばれるプログラムを作成しました。


「シミュレートされた星、星点のある光曲線」というラベルの付いたグラフ。
恒星には、一度にその表面に数十の点が点在することがあり、不規則な明るさの変動を引き起こすため、星の自転による周期的な減光信号を明らかにすることが困難になります。バタピー プログラムからのデータのこのグラフは、シミュレートされた星の観測された明るさが 1 回転周期でどのように変化するかを示しています。 NASA のローマ宇宙望遠鏡は、数十万の星の光度曲線、したがって回転速度を測定できるようになり、銀河系の恒星集団について新たな洞察をもたらすでしょう。
クレジット: NASA、ラルフ・クロフォード (STScI)
「このプログラムを使用すると、ユーザーは星の回転速度、スポットの数、スポットの寿命などの多くの変数を設定できます。次に、星の回転に伴ってスポットがどのように出現、進化、減衰するかを計算し、そのスポットの進化を光度曲線、つまり私たちが遠くから測定するものに変換します」とクレイター氏は説明しました。


研究チームはすでに、訓練されたニューラル ネットワークを NASA のTESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) からのデータに適用しています。体系的な効果により、より長い恒星の自転周期を正確に測定することがより困難になりますが、チームの訓練されたニューラル ネットワークは、TESS データを使用してこれらのより長い自転周期を正確に測定することができました。

ローマンの星測量
次期ローマ宇宙望遠鏡は、実施する3 つの主要なコミュニティ調査のうちの 1 つである銀河バルジ時間領域調査を通じて、数億の星からデータを収集します。ローマン博士は、私たちの銀河の中心、つまり星が密集している領域に目を向け、時間の経過とともに明るさが変化する星の数を測定する予定です。これらの測定により、遠く離れた系外惑星の探索から星の回転速度の決定まで、さまざまな科学研究が可能になります。

具体的な調査計画は、天文学界によって現在も開発中です。 NASA が資金提供した恒星の回転に関する研究は、潜在的な調査戦略の情報提供に役立つと期待されています。

「さまざまな調査戦略に応じて、何が重要なのか、ローマのデータから何が引き出せるのかをテストできます。したがって、実際にデータを取得するときには、すでに計画ができているでしょう」とフロリダ大学の天文学助教授であり、このプログラムの主任研究者であるジェイミー・テイアー氏は述べています。

「私たちはすでに多くのツールを持っており、それらをRomanに適応させることができると考えています」と彼女は付け加えた。

ナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡は、メリーランド州グリーンベルトにあるNASAのゴダード宇宙飛行センターで管理されており、NASAのジェット推進研究所と南カリフォルニアのカリフォルニア工科大学/IPAC、ボルチモアの宇宙望遠鏡科学研究所、およびさまざまな国の科学者からなる科学チームが参加しています。研究機関。主要な産業パートナーは、コロラド州ボルダーの BAE Systems, Inc. です。 L3Harris Technologies（フロリダ州メルボルン）カリフォルニア州サウザンドオークスの Teledyne Scientific & Imaging 社。

クリスティーン・プリアム著
宇宙望遠鏡科学研究所、メリーランド州ボルチモア