大質量星形成領域の観測に電波望遠鏡ネットワークを使ってみると、精密な距離と原始星の存在が分かってきた

わし座の大質量星形成領域の年周視差の計測から、この領域までの距離が精密に測定できました。
さらに、双方向に噴き出すアウトフローが検出され、この場所に原始星が存在していることが確認されたんですねー

この成果は、電波望遠鏡ネットワーク“VERA”を使うことで実現できたこと。

“VERA”は、遠く離れた複数の電波望遠鏡で同時観測を行うことで、口径の大きい電波望遠鏡を使うのと同様の性能を得ることができます。
なので、天体の距離と運動を高精度に測定することができたようです。


大質量星が形成されている領域を調べる

わし座に位置する大質量星の形成領域“シャープレス76E”では、これまでに行われた干渉計観測により、3ミリ波長帯の電波を放射するチリが集まった領域が確認されていました。

このチリの領域は原始星の候補として注目されていたのですが、まだ確証は得られていません。

この問題の解決に必要なのは、天体までの距離を精密に測定し、空間的な広がりや運動を決定することでした。

大質量星形成領域“シャープレス76E”の中間赤外線3色合成画像。 中心の十字印が今回観測された“水メーザー”の位置に相当する。

遠く離れた電波望遠鏡で同時観測を行う

今回、ナイジェリア大学および日本の国立天文台の研究チームが観測に用いたのは、国立天文台の電波望遠鏡ネットワーク“VERA”。

国立天文台では口径20メートルのパラボラアンテナを、水沢局（岩手県）、入来局（鹿児島県）、小笠原局（東京都小笠原）、石垣島局（沖縄県）の4局に設置しています。

VERAの観測アレイと観測局

遠く離れた電波望遠鏡で同時観測を行うことで、口径の大きい電波望遠鏡を使うのと同様の性能が得られます。
なので、天体の距離と運動を高精度に測定することができるんですねー

これら4つのパラボラアンテナの特徴は、同時に2つの天体を観測できる2ビーム電波望遠鏡であること。

ひとつの受信機の視野を観測天体に、もうひとつの受信機の視野を観測天体の近くにある参照天体に向けて、同時に観測することによって大気揺らぎを補正し、天体の位置決定精度を向上させています。この観測手法を相対VLBIと呼びます。

VERAプロジェクトは、相対VLBIの手法を用いて、銀河系の3次元精密立体マップを作成する、国立天文台の電波観測プロジェクのこと。
プロジェクトでは、相対VLBIと地球の公転による年周視差の測定を合わせて、より精密な電波源の位置及び運動を観測しています。


原始星に見られる特徴的なガス噴出現象の発見

研究チームは“VERA”を用いて、2010年12月から2012年6月にかけて“シャープレス76E”からの“水メーザー”を7回観測。
　　“水メーザー”は水分子で増幅されたマイクロ波放射。
そして、年周視差の計測から得られたのは、“シャープレス76E”までの距離が約6260光年だということ。

これまでは距離の見積もりには40～60％も誤差があったのですが、今回の計測では誤差を5％まで小さくしています。

また、固有運動の計測を通じて分かったのが、“シャープレス76E”に含まれる2つのチリ領域“MM1”と“MM2”それぞれに付随する“水メーザー”が、双方向に噴き出すアウトフローを示していること。

星形成領域におけるアウトフローは、原始星で特徴的にみられるガスの噴出現象なので、“MM1”と“MM2”が独立した原始星であることを示す観測結果になりました。

“シャープレス76E”に対する“VERA”の“水メーザー”観測結果。 （上左）天球面上における水メーザーの位置変化、（上右）東西・南北方向それぞれに対する年周視差の時間変化。 （下）“シャープレス76E”内にあるチリ領域の固有運動。色付きの点が各“水メーザー”成分を表し、 色の違いは視線速度に相当する（青色が観測者に向かってくる方向）。 矢印は検出された固有運動の向きと大きさを表す。

さらに、精密に距離を測定できたので、赤外線波長のデータを星の進化モデルと照らし合わせられるようになります。
結果、“MM1”の方が“MM2”より若い原始星のようです。


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公転軌道の傾きが不揃いな惑星系はこうして作られる？ 生まれたての原始惑星系円盤で見つかった回転軸のズレ

生まれたばかりの原始惑星系円盤で、回転軸の傾きが円盤の内と外でズレているものが初めて見つかったんですねー

このズレから考えられるのは、惑星の公転軌道の傾きが不揃いな惑星系などの原因になっていること。
ただ、このようなズレが生じるのはむしろ自然なことで、どこの天体でも起こり得るようです。


惑星系の元になるガスの円盤“原始惑星系円盤”

恒星や惑星系は、宇宙を漂うガスやチリからなる分子雲が自らの重力で収縮して生まれます。

そして、生まれたばかりの恒星“原始星”の周りには多くのガスが存在し、そのガスが原始星へ引き寄せられ、渦を巻いて落下していきます。

これらのガスは、原始星に向って落ち始めたときの回転の向きを保ったままどんどん落ちていき、やがて遠心力と重力が釣り合って“原始惑星系円盤”を形成していくんですねー

このため、原始星に向って降ってきたガスの角運動量（回転の向きと勢いを表す量）が、後の“原始惑星系円盤”の向きや大きさの起源と考えられていて、円盤がどのように形作られたかを理解することは惑星形成を理解する上で非常に大事なことになります。


外側がズレた円盤構造

今回、理化学研究所と千葉大学先進科学センターの研究チームは、おうし座の方向約450光年彼方にある原始星“IRAS 04368+2557”を取り巻く若い原始惑星系円盤からの電波をアルマ望遠鏡で観測。

円盤に何らかの構造が存在するか、また円盤に含まれている星間チリの粒子のサイズが、円盤の周囲にある分子雲の星間チリと比べて成長しているかを調べています。

すると、この円盤は外側ほど厚みが大きい“フレア構造”を持っていることが分かります。

さらに分かったことは、円盤の厚みと半径の比率や円盤の回転軸の傾きが、中心の原始星から半径60億～90億キロ（40～60天文単位）を境にして急に変化する“二重フレア構造”になっていること。

内と外で回転軸がズレている原因は、かつて外から降着してきたガスの回転軸が時代とともに変化してきたためだと考えられています。

（a）波長0.9ミリと1.3ミリの電波観測から明らかになった、 円盤の厚みと中心の原始星からの距離（半径）の関係。 半径40～60天文単位で急に厚みが大きくなっている。 （b）円盤が放射する電波の強度分布。 波長0.9ミリ（上）と1.3ミリ（下）の両方で、 円盤の中央面（黒の点線）が半径40～60天文単位より外側で 鉛直方向にわずかに歪んでいて、内と外で円盤の傾きが異なっている。

このように外側がズレた円盤の構造は“ワープ構造”と呼ばれ、伴星を持つ原始惑星系円盤や進化の進んだ円盤では見つかっていたのですが、今回のように伴星を持たない、かつ形成初期の円盤で見つかったのは初めてのことなんですねー

内側と外側で回転軸の傾きがズレている“ワープ構造”を持った原始惑星系円盤（イメージ図）。

“ワープ構造”が公転軌道の傾きが不揃いな惑星系を作っている？

こうした“ワープ構造”は、惑星の公転軌道の傾きが不揃いな惑星系など、ここ数年で次々に発見されている“風変わり”な惑星系の起源として注目されています。

これまで、こうした風変わりな惑星系は、離れた別の惑星の影響で軌道の傾きと離心率が変動する“古在機構”や、近くを通過した惑星の重力で軌道が変化する“惑星重力散乱”など、中心星と惑星と別の惑星という3つの天体の相互作用によってできたと考えられてきました。

でも、複数の惑星の軌道面が他の惑星の軌道面から同じようにズレている惑星系や、主星と惑星軌道の回転軸の傾きがズレている惑星系なども発見され、3天体の相互作用だけでは説明が難しいことが問題になっています。


“ワープ構造”はどこの天体でも起こり得る一般的なもの

原始星へと降り積もるガスの量は、原始星の周りのガス分布に密度の揺らぎがあるので、必ずしも一定にはなりません。

こうした状況では、原始星や円盤に降着するガスの量や回転の向きは時代によって異なっている可能性が高くなるので、“ワープ構造”が生じるのはむしろ自然なことなのかもしれません。

そのため研究チームでは、今回明らかになった現象は、どこの天体でも起こり得る一般的なものと考えています。

“ワープ構造”を持つ原始惑星系円盤の概念図。 内円盤と外円盤で回転軸の傾きにズレがあるので、このような構造になる。 外円盤のさらに外側は、エンベロープと呼ばれる降着ガスへとつながっている。 原始星に近づくにつれて密度や温度が高くなるので、電波強度も高くなり、 実際の観測データでは中心付近が最も明るく見える。

また、今回の観測で、波長1.3ミリと0.9ミリの電波の強さの比率が円盤内の半径に応じてどう変わっていくのかを調べてみると、半径90億キロより内側では、内に行くほど波長0.9ミリの電波強度が相対的に弱いことが分かります。

短い波長の電波が相対的に弱いということは、その場所にある星間チリの粒子サイズが大きいことを示しています。
そう、今回のような若い円盤で、初めてチリのサイズが場所ごとに変化している様子がとらえられたんですねー

この結果が示唆しているのは、初期円盤の段階ですでに星間チリが成長し始めていること。

このようなチリの成長が、やがては円盤内に構造が生まれて惑星の形成につながるきっかけになると考えられるので、惑星の形成についても理解を大きく変えることになるのかもしれませんね。


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7つの実証テーマと7基の人工衛星を載せて、イプシロンロケット4号機が打ち上げに成功！

1月18日午前9時50分、鹿児島県の内之浦宇宙空間観測所からイプシロンロケット4号機が打ち上げられました。

搭載されていた7つの衛星はすべて正常に分離。打ち上げは無事に成功したんですねー

その中に含まれているのが、JAXAによる技術実証プログラムの初号機“小型実証衛星1号機”。
衛星産業の国際競争力の獲得や強化、宇宙産業のビジネス創出などを目的としているそうです。


低コストで高い性能を持つロケット

JAXAとIHIエアロスペースが開発した小型の固体ロケットがイプシロンです。
“はやぶさ”の打ち上げなどで活躍した“M-V”ロケットの後継機になります。

特長は、打ち上げ費用が高かった“M-V”を教訓にしていること。

第1段にH-IIAロケットの固体ロケットブースターを使い、第2段と第3段には“M-V”ロケットで使用されたロケットモーターを改良して用いるなど、既製品を流用することで低コスト化が図られています。

また、その一方で、人工知能によるロケットの自己診断機能や、少人数で打ち上げ管制ができるシステムなど、新しい技術も使われています。

イプシロンロケットが目指しているのは、低コストながら高い性能をもつロケットの実現なんですねー


天候悪化のため打ち上げは1日延期

イプシロンロケット4号機は、1月18日9時50分20秒に鹿児島県の内之浦宇宙空間観測所にあるイプシロンロケット発車装置からリフトオフ。

イプシロンロケット4号機が搭載していたのは、“革新的衛星技術実証プログラム”最初の実証機会になる“革新的衛星技術実証1号機”。

“革新的衛星技術実証1号機”は7つの実証テーマを載せた7基の人工衛星で構成されていて、人工流れ星を作り出す衛星も搭載されているんですねー

打ち上げから51分55秒後には、ロケットに搭載されていた“小型実証衛星1号機”が正常に分離したことを確認。

続いて、地球観測衛星“マイクロドラゴン”、超小型理学観測衛星“ライズサット”、人工流れ星実証衛星“ALE-1”の3基の超小型衛星、および多機能展開膜実証3Uキューブサット“OrigamiSat-1”、月探査技術実証衛星“Aoba VELOX-TV”、アマチュア通信技術実証衛星“NEXUS”の3基のキューブサットも、すべてが正常に分離したことが確認されました。

イプシロンロケット4号機に搭載されて打ち上げられた “小型実証衛星1号機”と超小型衛星3機およびキューブサット3基。

このうち“小型実証衛星1号機”は、JAXAによる“革新的衛星技術実証プログラム”の初号機で、衛星産業の国際競争力の獲得・強化や宇宙利用の拡大、宇宙産業のビジネス創出などを目的としています。

衛星推進系や電子部品単体など、公募により選定された7つの部品・機器の実証を軌道上で行うことになります。

また“小型実証衛星1号機”は、JAXAがスタートアップ企業アクセルスペース社に開発・試験・運用を依頼した初の衛星でもあります。
アクセルスペース社の実績とJAXAの開発知見とが組み合わされることで、低コストの実証衛星システムを実現しています。

革新的衛星技術実証機は4号機まで予定されていて、まだ3号機以降のテーマは公募中だそうですよ。


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わずか3か月で104個の系外惑星を発見！ 宇宙望遠鏡と地上の望遠鏡で実現できたこと

系外惑星探査衛星“ケプラー”と位置天文衛星“ガイア”、さらに地上の望遠鏡によるフォローアップ観測により、104個の太陽系外惑星が発見されたんですねー

この数は、日本での系外惑星発見数の新記録。
中には複数の惑星が公転しているものや、1年が24時間以下という超短周期の惑星も含まれているようです。


太陽以外の恒星を公転する惑星を探す

ここ数年で盛んに行われていることがあります。
それは、太陽以外の恒星を公転する系外惑星の研究なんですねー

その大きなきっかけの1つを作ったのが、系外惑星を探すために2009年に打ち上げられたNASAの探査衛星“ケプラー”の活躍でした。

“ケプラー”が2013年5月までのメインミッションで発見した系外惑星の数は2300億近くもあるのですが、“ケプラー”は姿勢制御装置の故障のため主要ミッションを終了してしまいます。

それでも、2014年からは太陽光圧を姿勢制御に利用する“K2ミッション”を開始し、さらに数百個の系外惑星を発見します。
残念ながら“ケプラー”の運用は昨年の10月30日に終了…　原因は燃料切れでした。

でも“ケプラー”は、これまでの観測で膨大なデータを取得しているので、このデータの解析を進めていけば、まだまだ新しい発見が出てくるのかもしれません。

系外惑星探査衛星“ケプラー”

探査衛星で発見した候補天体を地上の望遠鏡で確認

地球から見て、惑星が恒星の手前を通過（トランジット）するときに見られるわずかな減光から、惑星の存在を知ることができます。
“ケプラー”は、このトランジットと呼ばれる現象の観測から、これまでに数多くの系外惑星を発見してきました。

ただ、このような減光現象は他の原因でも起こる可能性があります。
なので、系外惑星によるものなのかどうかを確認する作業が重要になってきます。

今回、東京大学の研究チームは、“K2ミッション”のデータと、ヨーロッパ宇宙機関の位置天文衛星“ガイア”による精密な位置測定から、155個の系外惑星の候補天体を選び出しています。

この候補天体が系外惑星なのかを確認するため、地上からの撮像観測や分光観測を行った結果を組み合わせ、候補天体から60個を系外惑星だと判断しました。

研究チームは昨年8月にも“K2ミッション”のデータから、44個の系外惑星を一度に発見しています。
　　探査衛星“ケプラー”の観測データから系外惑星を一度に44個も発見！
　　　　

今回の60個を合わせると、わずか3か月の間に104個の系外惑星を発見したことになります。
これで“K2ミッション”で発見された系外惑星の数は300個を大きく超えることになるんですねー


発見されたのはとても多様な系外惑星

新たに発見された惑星の中に含まれているのは、複数の惑星が公転している惑星系や、これまで発見が難しかった1年が24時間以下という超短周期惑星でした。

60個中18個の質量は地球の2倍未満で、大気のほとんどない岩石惑星の可能性が高いようです。

さらに、かに座の方向約1090光年彼方に位置する“K2-187”という惑星系には4つの系外惑星が存在していて、その中の1つが超短周期惑星でした。
このような超短周期惑星がどのように形成され進化してきたのかは、まだ良く分かっていないので、最近注目され始めている天体でもあります。

K2-187惑星系（イメージ図）。主星（一番左）の大きさは太陽の0.9倍。 惑星の大きさは主星に近いものから地球の1.3倍、1.8倍、3.2倍、2.4倍。 一番内側が超短周期惑星になる。

発見された系外惑星の多くは主星が明るいので、その組成と大気を調べるための詳細な観測に適していました。
また、地球からの距離が近いものが多く、より詳しい追跡観測の対象となることが期待されています。

発見された系外惑星はとても多様なので、今後の系外惑星やアストロバイオロジーの研究発展に大いに役立つのかもしれません。

今年4月に打ち上げられたNASAの系外惑星探査衛星“TESS”は、運用が終了した“ケプラー”の代わりになる衛星です。
今後は、“TESS”のデータを用いた系外惑星候補の発見が増えていくことになります。

その際、今回の研究で行われたように宇宙望遠鏡と地上望遠鏡の観測を組み合わせれば、さらに多くの系外惑星を発見できるのでしょうか。

今後数年のうちに第二の地球候補になる天体がいくつ見つかるのか楽しみですねー


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“ニューホライズンズ”が探査史上最も遠い天体“2014 MU69”を撮影！ さらに追加ミッションもあるかも

2006年に打ち上げられ、冥王星とその衛星カロンの探査を成功させた“ニューホライズンズ”が、新しいミッションの目的地に到着し探査を行ったようです。

新しい目的地は、太陽から65億キロ離れた太陽系外縁天体“2014 MU69”で、世界の果てを意味する“ウルティマ・トゥーレ”の愛称で呼ばれています。

ただ、探査といっても“2014 MU69”の周回軌道には入らないんですねー
探査は通過しながら行われ、探査史上最も遠い天体の姿を撮影したそうです。


人類初の冥王星と太陽系外縁天体の探査

人類初の冥王星を含む太陽系外縁天体の探査を行うため、2006年1月にアトラスＶロケットにより打ち上げられたのがNASAの無人探査機“ニューホライズンズ”です。

2015年7月に冥王星をフライバイ（接近通過）して探査を行い、冥王星の地形や組成、大気、衛星カロンなどに関する膨大な情報をもたらしてくれたんですねー

冥王星の探査を終えた“ニューホライズンズ”は、どんどん地球から遠ざかりながら膨大なデータを少しずつ送信し、新しいミッションの目的地へ向かいます。
その目的地は冥王星軌道から7億キロ外側にある太陽系外縁天体の“2014 MU69”でした。

そして、日本時間の1月2日14時33分ころ、“ニーホライズンズ”は“2014 MU69”から3500キロのところを時速5万キロ以上でフライバイし探査を行っています。

このときの太陽から“2014 MU69”までの距離は65億キロ。
そう、人類が直接探査した天体としては最も遠い記録になるんですねー
ちなみに、“ニューホライズンズ”が2015年7月に冥王星をフライバイしたときの距離は約49億キロでした。


2つの小天体がくっついてできた“2014 MU69”

今回の探査で最も興味深いのは“2014 MU69”の形状でした。

“2014 MU69”は、直径約19キロほどの球体と約14キロほどの球体がつながった接触連星を成していて、雪だるまやボウリングのピンのような形をしていたんですねー

このような種類の天体が実際に観測されたのは、今回が初めてのこと。
おそらく、太陽系形成の初期段階に、2つの小天体がゆっくりとした速度で衝突して作られたようです。

“2014 MU69”の愛称は“世界の果て”を意味する“ウルティマ・トゥーレ”なんですが、今回の画像を見た研究者たちは、大きい方を“ウルティマ”、小さい方を“トゥーレ”と呼んでいるそうです。

“ニューホライズンズ”が最接近の30分前に2万8000キロの距離から撮影した“2014 MU69”

現在までに送られているデータによれば、“2014 MU69”には環や衛星は見つかっておらず、大気もありません。
色が冥王星と似ているので、氷を多く含む天体に見られるピンク色の色調をしているのかもしれません。

“ニューホライズンズ”は太陽と同じ方向にいるので、データ送信は一時的に中断していますが、10日には再開しているはず。
ただ、今回の探査データが全て送信されるには20か月もかかるので、これからも新しい発見が出てくるのかもしれません。

上の画像と、13万7000キロの距離から撮影された色のデータとを合成して作られたカラー画像

“ニューホライズンズ”の運用が続けられるのは少なくとも2021年まで。

“ニュー・ホライズンズ”が向かっている方向と、残された燃料で到達できる新しい目標天体が見つかるかもしれません。
そうなれば、太陽系外縁部に潜む未知の天体の発見とかを期待しちゃいますね。


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