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低温な恒星で発生するフレアほど遠紫外線放射が強くなる!? 赤色矮星が惑星に与える影響から生命が居住可能なのかを考えてみる

2024年08月21日 | 宇宙 space
今回の研究では、赤色矮星のフレアが、これまで考えられていたよりもはるかに強いレベルの遠紫外線放射を伴う恒星フレアを生成する可能性があることを発見しています。

この発見が示唆しているのは、これらフレアからの強い紫外線が周辺の惑星の居住可能性に大きな影響を与える可能性があることでした。

フレアからの遠紫外線放射は、一般的に想定されているよりも平均で3倍強力で、想定されるエネルギーレベルの最大12倍に達する可能性があることが示されました。

この強力な遠紫外線放射の正確な原因は、まだ明らかになっていません。
研究チームが考えているのは、フレアの放射線が特定の波長に集中していることが原因となること。
このことは、炭素や窒素などの原子の存在を示唆していると考えています。
この研究は、ケンブリッジ大学のVera L. Bergerさんを中心とした研究チームが進めています。
本研究の詳細は、天文学と天体物理学の研究を取り扱う査読付きの学術雑誌“Monthly Notices of the Royal Astronomical Society(王立天文学会月報)”に“Stellar flares are far-ultraviolet luminous”として掲載されました。DOI:10.1093 / mnra / stae1648
図1.強力なフレアを連続して放つ赤色矮星(イメージ図)。(Credit: Scott Wiessinger/NASA)
図1.強力なフレアを連続して放つ赤色矮星(イメージ図)。(Credit: Scott Wiessinger/NASA)


太陽よりも小さく表面温度の低い恒星

表面温度がおよそ摂氏3500度以下の恒星を赤色矮星(M型矮星)と呼びます。
実は、宇宙に存在する恒星の8割近くは赤色矮星で、太陽系の近傍にある恒星の多くも赤色矮星になるんですねー
太陽よりも小さく、表面温度も低いことから、太陽系の場合よりも恒星に近い位置にハビタブルゾーンがあります。

ハビタブルゾーンとは、恒星からの距離が程良く、惑星の表面に液体の水が安定的に存在できる領域のこと。
この領域にある惑星では生命が居住可能だと考えられています。
太陽系のハビタブルゾーンは地球から火星軌道の間にあたります。

赤色矮星は数兆年に達するとも考えられている長い寿命を持つことから、生命が芽吹くのに必要な時間が十分にあると言えます。
さらに、その数の多さから、生命が存在する可能性のある惑星を探す上で、重要なターゲットと見られています。

これまでの研究では、赤色矮星のハビタブルゾーンに位置する惑星は、潮汐力によって常に同じ面を恒星に向けている“潮汐ロック”と呼ばれる状態にある可能性が高いと考えられてきました。

潮汐ロックを受けた惑星では、昼側は常に恒星に照らされて高温となり、夜側は常に陰になって極寒になるので、生命の存在には厳しい環境となる可能性があります。
でも、近年では惑星の自転や大気の循環によって、潮汐ロックされた惑星でもより穏やかな気温分布が実現される可能性も指摘されています。

赤色矮星はフレアと呼ばれる恒星表面の爆発現象を頻繁に起こす傾向があります。
ただ、フレアの発生頻度、惑星の大気や磁場の環境などを考慮した居住可能性の定量的な評価は行われてきませんでした。

このようなこともあり、赤色矮星を公転する惑星の居住可能性については、現在も活発な議論が続いています。


恒星表面で発生する突発的なエネルギー放出現象

赤色矮星は、生命が居住可能な惑星を持つ可能性を秘めている一方で、生命の存在にとって大きな脅威となる可能性も持っています。
その一つが、恒星表面で発生する突発的なエネルギー放出現象“恒星フレア”です。

恒星フレアは、太陽フレアと同様に磁場のエネルギーが解放されることで発生すると考えられています。
フレアが発生すると、電磁波を含む大量のエネルギーが放出され、その中には生命に有害な紫外線も含まれています。

紫外線は、その波長によりUV-A(315~400nm)、UV-B(280~315nm)、UV-C(100~280nm)の3種類に分類されています。

最もエネルギーの高いUV-Cは、DNAやRNAなどの生体分子に損傷を与えるので、生命にとって非常に危険です。
地球では上空のオゾン層によって、すべて吸収されるので地表に到達することはありません。
でも、オゾン層を持たない惑星やオゾン層の薄い惑星では、地表にまでUV-Cが到達し、生命に深刻なダメージを与える可能性があります。

UV-Bは、UV-Cほどではありませんが、それでも生命に有害な紫外線です。
日焼けや皮膚がんの原因となることが知られていて、生物のDNAやRNAにも損傷を与える可能性があります。
地球では、オゾン層によってUV-Bの大部分は遮断されていますが、一部は地表にまで到達し生物に影響を与えています。

UV-Aは、UV-Bよりもエネルギーが低く、生命への影響も比較的少ないと考えられています。
皮膚の老化などを引き起こすことが知られていますが、生物の光合成に必要な光エネルギーとしても利用されています。


UV-CとUV-Bの比率は恒星の金属量に大きく依存している

オゾンは酸素原子3個からなる分子で、太陽から放射された紫外線は地球大気中のオゾンの生成と破壊の両方に関わっています。

紫外線のうちUV-Cは、中層大気中でオゾンを生成する役割を担っています。
でも、UV-Bは個々の酸素原子や酸素分子との反応プロセスを通してオゾンを破壊していきます。

このことから、系外惑星の大気でも地球と同じように紫外線が複雑な反応を起こし、影響を与えていると考えることができます。

さらに、全体として金属に乏しい恒星は、金属に富む恒星よりも紫外線を多く放射するという研究報告もあります。
この研究では、オゾンを生成するUV-Cとオゾンを破壊するUV-Bの比率は、恒星の金属量に大きく依存することも示されています。

そう、UV-BとUV-Cの比率は非常に大きな意味を持つことになるんですねー
金属に乏しい恒星ではUV-Cの比率が大きいので、惑星の大気では厚いオゾン層が形成されます。
一方、金属に富む恒星ではUV-Bの比率が大きいので、惑星の大気で形成されるオゾン層ははるかに希薄になってしまいます。

結果的に、金属に富む恒星は金属に乏しい恒星よりも紫外線放射が大幅に少ないにもかかわらず、その周りを公転する惑星ではオゾン層が希薄になるので、惑星表面はより強い紫外線にさらされることになります。

金属(重元素)は、恒星内部の核融合反応によって数十億年かけて合成された後、恒星から流れ出る恒星風や超新星爆発を通して宇宙空間に放出されていき、次の世代の恒星や惑星の材料になります。

そのため、新しい世代の恒星は、その前の世代の恒星が作り出した金属を含む材料から形成されることに…
つまり、恒星に含まれる金属の量は、恒星が世代を重ねるごとに増えていくことになります。

そう、宇宙全体で見れば金属に富む恒星ばかりが増えていき、恒星系で生命が誕生する確率は宇宙が年老いるにしたがって低下していく可能性もありそうです。


低温な恒星で発生するフレアほど遠紫外線放射が強くなる

これまでの恒星フレアの研究では、その紫外線放射を推定する際に、約9000Kの黒体放射を仮定することが一般的でした。
黒体放射とは、理想的な熱放射体から放射される電磁波のスペクトルで、温度によってその強度分布が変化します。

今回の研究では、2003年~2013年にかけて運用されたNASAの紫外線天文衛星“GALEX”のアーカイブデータを用いて、この仮定が必ずしも正しいとは限らないことを明らかにしました。

研究チームは、“GALAEX”が取得した太陽系近傍の約30万個の恒星のデータから、182個のフレアを検出。
その紫外線放射を詳細に分析しています。

“GALAEX”は、近紫外線(NUV:1750~2750Å)と遠紫外線(FUV:1350~1750Å)の二つの波長帯で、同時に観測を行うことができました。

研究チームは、この二つの波長帯におけるフレア発生時のエネルギー流束の比率(FUV/NUV)に着目。
その結果、FUV/NUVの比率は、平均でこれまで想定されていた9000Kの黒体放射から予測される値の約3倍に達することが明らかになります。
さらに、最大で12倍に達するケースも確認され、一部のフレアではFUV放射がNUV放射を上回ることもありました。

スペクトル型は、恒星の表面温度や色に基づいて分類されるもので、O型、B型、A型、F型、G型、K型、M型の順に表面温度が低くなります。

本研究で見られたのは、スペクトル型が後期の恒星(表面温度の低い恒星)ほど、FUV/NUVの比率が高くなる傾向でした。
この結果は、これまでの9000Kの黒体放射を仮定したモデルでは説明できないもの。
赤色矮星のように低温な恒星で発生するフレアほど、FUV放射が強くなることを示唆していました。

それでは、これほどFUV放射が強いのは、なぜでしょうか?

研究チームでは、その原因を特定するには至っていません。
ただ、フレアの発生メカニズムや、フレアが発生している恒星の特性と関連がある可能性を考えています。

考えられる要因の一つとして、フレアが発生する際に特定の波長にエネルギーが集中していることが挙げられます。
この場合、炭素や窒素などの原子が豊富に存在する領域でフレアが発生すると、FUV放射が特に強くなる可能性があります。

また、フレアが発生する恒星の磁場の構造や強度も、FUV放射の強さに影響を与えている可能性があります。
赤色矮星は、太陽よりも磁場が強いことが知られていて、これがフレアのエネルギーやスペクトルに影響を与えている可能性もあります。


遠紫外線放射による系外惑星の大気浸食

赤色矮星を公転する惑星に生命は居住可能なのでしょうか。
今回の発見は、この可能性に関するこれまでの認識を大きく変える可能性があります。

強力なFUV放射は、惑星の大気を徐々に剥ぎ取る効果があります。
大気は惑星表面の温度を一定に保ち、有害な宇宙線から生命を守る役割を担っているので、その損失は生命の存在にとって深刻な問題となります。

これまでの研究では、9000Kの黒体放射を仮定したモデルに基づき、大気浸食の影響を受けると考えられていた赤色矮星系の数は限られていました。
でも、今回の研究結果によれば、これまで想定されていたよりもはるかに広範囲の赤色矮星系で、大気浸食が進行している可能性があります。

一方、紫外線は生命の遺伝情報を担うDNAと密接に関連するRNAの構成要素の形成を促進する可能性も指摘されています。
RNAは、生命の起源において重要な役割を果たしたと考えられています。

紫外線によるRNA構成要素の生成は、地球上の生命の誕生にも関与した可能性があります。
地球が誕生したばかりの頃、太陽は現在よりも活発で、より多くの紫外線を放射していました。
この紫外線が原始地球の海の中でRNAの構成要素を作り出し、生命の誕生へとつながった可能性も考えられます。


次世代の紫外線天文衛星による観測

今回の研究が明らかにしたのは、赤色矮星のフレアがこれまで考えられていたよりもはるかに強い遠紫外線放射を伴うことでした。
この発見は、赤色矮星を公転する惑星の居住可能性に大きな影響を与えることになるので、今後の研究の進展が期待されます。

研究の課題として、以下の事項を挙げることができます。

赤色矮星のフレアで、FUV放射がこれほど強くなるメカニズムを解明する必要があります。
それには、フレアの発生メカニズム、磁場の構造と強度の影響、特定の波長におけるエネルギー集中など、様々な可能性を検討し、詳細な観測データに基づいた検証が必要となります。

また、フレアが居住可能性に与える影響を正確に評価するには、フレアの発生頻度や強度を把握することが重要です。
それには、長期的な観測データを取得し、フレアの発生頻度や強度の統計的な分析を行う必要があります。

FUV放射増加が、惑星の気候、大気組成、生命活動に具体的にどのような影響を与えるのか、詳細なシミュレーションや観測が必要となります。
それには、FUV放射による大気加熱や散逸、オゾン層破壊、地表への紫外線到達量の変化などを定量的に評価する必要があります。

これらの課題に取り組むには、次世代の紫外線天文衛星による観測が不可欠です。
2027年に打ち上げ予定の“ULTRASAT”、そして“MANTIS”といった観測プロジェクトは、赤色矮星のフレアに関する理解を飛躍的に進展させると期待されています。

“ULTRASAT”が搭載する広視野の紫外線望遠鏡は、10万個以上の恒星を同時に観測することができます。
これにより、これまでとらえることができなかった短時間で変化するフレア現象を、詳細に観測することができます。
また、フレアの発生頻度や強度に関する統計的な分析も、大きく前進すると期待されています。

“MANTIS”は紫外線だけでなく可視光線や赤外線など、より幅広い波長で観測を行うことができます。
これにより、フレアに伴う様々な現象を多角的にとらえ、そのメカニズムを解明することが期待されます。
また、“MANTIS”はジェームズウェッブ宇宙望遠鏡と連携して観測を行う計画もあり、FUV放射の増加が惑星大気に与える影響を詳細に調べる上でも重要な役割を果たすはずです。

今後、“ULTRASAT”や“MANTIS”といった次世代の宇宙望遠鏡による観測や詳細な数値シミュレーションを通じて、赤色矮星のフレアに関する理解を深め、その影響を正確に評価していくことが、地球外生命の探索を進める上で非常に重要といえます。


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