背景

　太陽系外縁天体は地球から極めて遠方に存在するために、素性を明らかにすることが非常に難しいターゲットです。近年ではアメリカの惑星探査機ニューホライズンズによる冥王星など一部の天体への直接探査が実現し、冷たい氷の世界だと考えられてきた太陽系外縁天体が非常に高い活動性をもちうることが明らかになりつつあります。しかし、直接探査に成功した天体はごく一部であり、数多くある外縁天体の素性の解明にはほど遠いのが現状です。

　2002年に発見された太陽系外縁天体クワオアー(Quaoar、小惑星番号 50000)は直径およそ1100 kmと推定される準惑星候補天体です(図1)。クワオアーは冥王星(直径およそ2400 km)と比較すると小さい外縁天体ではあるものの、過去の研究からその表面は水・アンモニア、メタンなど多種多様な氷で覆われていることが判明しており、一部の氷は最近になって表面に供給されたことが推定されています。よってクワオアーは大気活動や氷の火山の存在が示唆されており、現在においてもたぐいまれな活動性をもっている外縁天体であると考えられてきました。

　現在までに大気の存在がはっきりと確認されている太陽系外縁天体は冥王星のみです。冥王星以外にも大気をもった外縁天体が存在するのかを明らかにすることは、いまだに謎の多い太陽系外縁天体の基本的な特性と多様性を知るうえで重要であると考えられてきました。しかしクワオアーは他の外縁天体と同様、地球や太陽から非常に遠方に位置する天体であるため、詳細な研究は困難でした。

2019年6月28日、木曽で観測されたクワオアーによる恒星掩蔽
　―トモエゴゼンによって実現した高感度高速観測

　2019年6月28日、このクワオアーによって背景の恒星が覆い隠される、「掩蔽」(えんぺい)とよばれる現象が日本で発生すると予報されました。掩蔽は観測者と外縁天体、そして恒星が一直線に並んだ瞬間のみ発生する非常にまれな現象なのですが、観測の難しい外縁天体の素性を明らかにすることができる絶好のチャンスでもあります。そのため京都大学、東京大学、岡山大学、日本スペースガード協会、そして兵庫県立大学の研究者らが中心となり、国内4カ所での掩蔽同時観測に挑戦しました。このうち東京大学木曽観測所では好天に恵まれ、口径105cmシュミット望遠鏡に新たに搭載された超広視野高速カメラ「トモエゴゼン」を用いて掩蔽される恒星の動画観測を実施し、データの取得に成功しました(図2)。今回掩蔽された恒星の明るさは15.7等(肉眼で確認できる最も暗い恒星の約1万分の1の明るさ)と、動画観測のターゲットとしては非常に暗かったものの、新世代の高速カメラであるトモエゴゼンによって極めて高精細な動画データを得ることができたのです。

図2. トモエゴゼンが撮影したクワオアーによる恒星掩蔽の動画。0.5秒露光で取得した179枚の画像データを5倍速で再生している。動画の上が北。6.4分角 × 3.6分角の領域をトリミング。画像中心付近にある矢印で示した光点がクワオアーに掩蔽された恒星。 (矢印なし版はこちら)

図2-1. 掩蔽前、掩蔽中、掩蔽後の３枚のフレーム(静止画)を並べたもの (6.4分角 × 3.6分角の領域をトリミング)

中心部の画像(1分角×1分角の領域をトリミング)を縦に並べたもの(上:掩蔽前、中:掩蔽中、下:掩蔽後): Fig2-2.jpg
中心部の画像(1分角×1分角の領域をトリミング)を横に並べたもの(左:掩蔽前、中:掩蔽中、右:掩蔽後): Fig2-3.jpg

掩蔽現象に関する諸元

掩蔽観測時刻： 2019年6月28日 21時37分18秒 (日本時間)を中心とする45.5秒間
掩蔽された恒星の位置：赤経 18h 08m 15.5s、赤緯 -15d 17m 58s（へび座の方向）
掩蔽された恒星の明るさ： 15.7等級（可視光ガイアGバンド）

結果: クワオアーには大気がほとんど存在しないことを解明

　今回トモエゴゼンによって得られた動画観測データを詳細に解析した結果、クワオアーには大気がほとんど存在しないことが判明しました。大気を持った天体による恒星掩蔽が発生した場合、恒星の光は天体表面にさえぎられる直前と直後に、大気による屈折の影響をうけて折れ曲ります。よって仮にクワオアーに大気が存在する場合、大気の屈折効果によって恒星の光は掩蔽によって瞬間的に明滅することなく、ゆっくりと光が増減することが予想されます。

　動画データから掩蔽される直前と直後の恒星の光度がどのように時間変動しているかを詳細に解析した結果、クワオアーには大気の存在を示す兆候は見られないことがわかりました(図3)。今回の観測・解析結果から大気圧の上限値が求められ、クワオアーに16ナノバール(地球表面の大気圧のおよそ6000万分の1)よりも高い表面気圧を持った大気の存在する可能性がしりぞけられました。今回の観測結果は過去の観測から求められていた上限値を大きく更新するものであり、クワオアー表面が大気で覆われている可能性に否定的な結果となっています。

図3. トモエゴゼンで観測された掩蔽時の恒星（へび座に位置する15.7等星）の、クワオアーの影の中心からの距離に対する明るさの変化。恒星の潜入時および出現時に観測された恒星の明るさの観測値を、それぞれ誤差棒つきの青点および赤点で示している。これらの観測点とともに、クワオアーに表面気圧16ナノバールの大気が存在すると仮定した場合に得られる、恒星の光度変化のシミュレーション値を点線で示している。仮にクワオアーに大気が存在する場合、大気の屈折効果によって恒星の光は掩蔽によって瞬間的に明滅することなくゆっくりと光が増減することが予想されるが、今回得られた観測値からはそのような現象は確認されず、16ナノバール以上の表面気圧をもった大気の存在をしりぞける結果となっている。

本成果の意義と今後について

研究代表者である有松亘研究員(京都大学附属天文台)のコメント

　本研究成果は、観測が非常に難しい太陽系外縁天体の特性を「掩蔽」を通して究明することに成功した好例といえます。これまで恒星掩蔽による大気の屈折現象の研究には精密な動画観測が必須であり、比較的明るい恒星の掩蔽が発生しないと実現することが困難でした。しかしトモエゴゼンによって頻繁に発生する暗い恒星の掩蔽現象に対する高感度な動画観測が実現できたことで、太陽系外縁天体の大気に関する研究を実施する機会が大幅に増えることが予想されます。今回のクワオアーによる恒星掩蔽のように今後もトモエゴゼンを用いた掩蔽動画観測を実施することで、謎の多い太陽系外縁天体の真の姿に急速に迫ることが期待されます。

論文情報

タイトル
“New constraint on the atmosphere of (50000) Quaoar from a stellar occultation”

著者
有松亘¹ (筆頭著者)
大澤亮²、はしもとじょーじ³、浦川聖太郎⁴、高橋隼⁵、戸塚都⁵、伊藤洋一⁵、山下美聖³、臼井文彦⁶、青木勉²、有馬宣明²、土居守²、一木真²、池田思朗⁷、板由房⁸、春日敏測^9、10、小林尚人²、小久保充⁸、小西真広²、前原裕之⁹、松永典之²、宮田隆志²、森井幹雄⁷、諸隈智貴²、本原顕太郎²、中田好一²、奥村真一郎⁴、酒向重行²、猿楽祐樹¹⁰、佐藤幹哉¹¹、茂山俊和²、征矢野隆夫²、高橋英則²、樽澤賢一²、冨永望¹²、渡部潤一⁹、山下卓也⁹、吉川真¹³

1. 京都大学　2. 東京大学　3. 岡山大学　4. 日本スペースガード協会　5. 兵庫県立大学　6. 神戸大学　7. 統計数理研究所 8. 東北大学　
9. 国立天文台　10. 京都産業大学　11. 日本流星研究会　12. 甲南大学　13. 宇宙航空研究開発機構

掲載誌
The Astronomical Journal, Volume 158, Number 6 (12/2019)

論文へのリンク
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ab5058

クレジット

本サイトの図1を使用する場合は以下のクレジットを明記してください。
有松亘/AONEKOYA

本サイトのそのほかの画像、動画を使用する場合は「東京大学木曽観測所」と併記してください。
例）画像提供: 東京大学木曽観測所

内容に関する問い合わせ

京都大学大学院理学研究科附属天文台・研究員
有松亘（ありまつこう）
arimatsukwasan.kyoto-u.ac.jp、075-753-3893

東京大学大学院理学系研究科附属天文学教育研究センター・特任助教
大澤亮（おおさわりょう）
ohsawaioa.s.u-tokyo.ac.jp、0422-34-5163

東京大学大学院理学系研究科附属天文学教育研究センター木曽観測所・広報事務担当
森由貴（もりゆき）
moriyukikiso.ioa.s.u-tokyo.ac.jp、0264-52-3360

東京大学大学院理学系研究科附属天文学教育研究センター三鷹本部
0422-34-5021

東京大学木曽観測所トモエゴゼンを用いて太陽系外縁天体クワオアーによる恒星掩蔽(えんぺい)現象の高感度動画観測に成功

背景

2019年6月28日、木曽で観測されたクワオアーによる恒星掩蔽 ―トモエゴゼンによって実現した高感度高速観測