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ライター 林 公代 Kimiyo Hayashiライター 林 公代 Kimiyo Hayashi

市販望遠鏡で太陽系の果てに「惑星の材料」発見!
アマチュア天文家の出番!?

今回発見された小天体(微惑星)の想像図。半径1.3kmで地球からの距離約50億km。地球などの惑星を作った材料が生き残ったものと考えられている(提供:Ko Arimatsu)

小よく大を制す。小さな望遠鏡が大望遠鏡をしのぐ画期的な発見を成し遂げた。地球からの距離約50億km。海王星より外側の太陽系の果てに、半径約1kmの小さな天体(微惑星と呼ばれる)を史上初めて発見したのだ。この快挙を実現したのが大望遠鏡でなく、市販の望遠鏡とカメラなどコンパクトで安価なシステムであることも画期的だ(もちろん、大望遠鏡には大望遠鏡にしかできない観測がある)。開発費は350万円。ライバルチームに比べ約300分の一の開発費でありながら、先んじて観測に成功した。

「今、天文学者はどうしても最先端の研究は大きな望遠鏡でしかできないと思っている。だが、そうではない。工夫すれば低コストで小さなプロジェクトでも最先端の研究ができることを実例として見せた。」国立天文台副台長の渡部潤一先生はこの成果を評価する。

観測を行ったのは、京都大学附属天文台の有松亘研究員を中心とするグループ。プロジェクト名はOASES。OASESが狙いを定めたのが、太陽系の果てに大量にあると予測される「微惑星」だ。微惑星がなぜ重要かと言えば、地球などの惑星を作った「材料」そのものだから。現在の理論では、地球など太陽系の惑星は直径1〜数kmほどの微惑星が衝突・合体を繰り返して徐々に大きく成長、形成されていったと考えられている。

ところが約46億年前の太陽系誕生後に起こった微惑星の衝突・合体で惑星に取り込まれず、「生き残った」微惑星が、今も太陽系の果ての「エッジワース・カイパーベルト」と呼ばれる領域(地球からの距離約45億〜75億km)に大量に存在すると考えられている。それらは太陽系の初期過程を記億する貴重な化石だ。だが、はるか彼方の半径数kmの小天体を直接観測することは、大望遠鏡でも困難だった。

記者会見で説明する有松亘さん。今回発見された天体は、海王星より外側、エッジワース・カイパーベルトと呼ばれる領域にある。

そこで有松研究員らが着目したのが「掩蔽(えんぺい)」という天文現象だ。微惑星が恒星の前を横切る時に、観測者から見て恒星からの光がわずかに暗くなる現象で、その明るさの変化から、微惑星のサイズや距離を求められると考えた。

ただし、微惑星による掩蔽が起こる頻度は極めて小さく(約100年に1回)、起こったとしても0.5秒以下の極めて短い現象と予測された。そこで可能な限り数多くの恒星を観測すると同時に、0.1秒以下の時間分解能で光の変化を測る必要があった。「中学生の頃からアマチュア天文少年。天体観測で望遠鏡をいじるのが得意だった」という有松さんが観測に用いたのは口径28cmの望遠鏡2台と高速度ビデオカメラ等の市販品。開発費を350万円に抑えた。ちなみに同様のプロジェクトは世界で複数進行中。台湾が中心となって進める「タオス2」は3台の望遠鏡を新規開発し総開発費10億円だが、まだ観測は始まっていない。

OASESで使われた口径28cmの望遠鏡。掩蔽現象は一度きりなので鳥の通過や地球大気の揺らぎ等の影響と切り分けるため、40m離した2台の望遠鏡で観測。(提供:Ko Arimatsu)
観測に使ったZWO製COMOSカメラを手に。動画(15.4fps)観測が可能。

有松さんらは沖縄県宮古島で2016年6月から観測スタート。満月21個分の広さにある約2000個の恒星を60時間にわたって観測したところ、一つの恒星が0.2秒間だけ80%暗くなった現象をとらえることに成功した。解析の結果、地球から約50億km離れた場所にある半径1.3kmの微惑星が、恒星の前を通った結果起こったことがわかったのだ。

観測は宮古島にある沖縄県立宮古青少年の家の屋上で行われた。恒星が集中する銀河面(天の川)と太陽系天体が集中する黄道面が交差する、いて座付近を集中的に観測。(提供:Ko Arimatsu)

観測結果の意味について、有松さんは「微惑星が(太陽系の果てに)生き残っていることを観測で示したのは初めて。また微惑星のサイズについても議論が色々あり、半径1.3kmというサイズが分かった意味は大きい」と説明。今回の結果から、このサイズの微惑星が予想より100倍近く多く存在することが、推定されるという。

アマチュア天文家が観測できる?星ナビ編集長に聞いてみた!

今回発見された天体の想像図と、カイパーベルト天体の比較。2014MU69はNASAのニューホライズンズ探査機が観測した「ウルティマ・トゥーレ」。過去にカイパーベルト天体は約2000発見されているが、キロメートルサイズの天体は今回が初めての発見。(提供:冥王星 NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute/Ian Regan を改変, 2014 MU69: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute を改変, その他 Ko Arimatsu)

記者会見中、有松さんは「アマチュア天文家」という言葉を何度も口にした。「掩蔽は小惑星のサイズや形を決める際に、日本のアマチュア天文家がよくやっている手法」。有松さんご自身も、アマチュア天文少年時代のビデオカメラを使った惑星や流星の撮像経験が今回の観測に活きており、「アマチュアが使っている手法をアカデミックな研究に転用したいと思っていた」そう。そして「アマチュア天文家の協力を得ながら、観測を拡大していけたらいいなと思います」とのこと!

アマチュア天文家が参加、協力することで太陽系初期の理解が進めば素晴らしいではないか!アマチュア天文家の観測が本当に可能なのか、難しい点や工夫した点があるのか、有松さんに伺うと、

「解析がちょっと難しい。データ量が凄く大きくて、市販のソフトウェアでは解析できない。独自のプログラミングを組む必要がありますが、全く不可能とは言えない」とのこと。具体的には恒星の光がわずかに暗くなった時に、それが本当に微惑星の掩蔽によるものかどうかという見極めが、かなり難しいそうだ。「でも日本のアマチュア天文家をなめると大変なことになる(笑)。できる人はいると思います」とのこと。

日本のアマチュア天文家は相当なレベルにあるらしい。そこで天文雑誌「星ナビ」の編集長であり、アマチュア天文家事情(実態?)に詳しい川口雅也さんに、聞いてみた。

まず「今回の発見は、大きな予算をかけた研究プロジェクトに対し、アマチュア天文ファンが手に入れられる市販の機材だけで実現したという点で、快哉を叫びたい気分です」と絶賛。OASESプロジェクトが使った機材は、望遠鏡ショップやネット通販で誰でも買えるものだそう。天体観測や天体写真をマニア的に取り組んでいる人には、カメラや望遠鏡に100万~500万円ほどかける例もあり、「2台で350万円というOASESの開発費は天文マニアの間ではそれほど特別ではない」と指摘する。

川口編集長によると、日本のアマチュア天文家は彗星を発見した本田実さんや池谷・関彗星で知られる池谷薫さん、関勉さんを筆頭に天体捜索・天体観測に長い歴史がある。世界的にも見てもレベルが高く、層が厚いのが特徴だという。観測はもちろん機械(メカ)に詳しく、アマチュア天文家たちが観測ネットワークを組み、各地の観測結果を集約して解析システムを構築するような人も存在するそうだ。

2002年に池谷薫さんと中国の張大慶さんによって発見された、池谷・張彗星。池谷さんは世界的に有名なコメットハンターでアマチュア天体観測家。カイパーベルトやオールトの雲にある微惑星は彗星の供給源と考えられている(提供:国立天文台)

実際に日本のアマチュア天文家は、国立天文台などのプロ天文学者と連携して、各分野の研究に大きな功績を残してきた。今回のOASES観測に近い例では、小惑星が恒星を隠す(掩蔽する)恒星食の分野で、多地点でのアマチュア天文家による観測のネットワーク化や、観測結果の解析方法まで確立されている。掩蔽観測によって小惑星の大きさや形状など多くの情報が得られているという。

しかし、多くの小惑星については軌道が既にわかっていて、いつ恒星食(掩蔽)が起きるか予報できるのに対して、太陽系の果てにある微惑星はいつ、どの方向で掩蔽現象が起きるのかは予測できない。川口編集長によれば、その瞬間を捉えるには「長時間、多地点で、同時に、集中的に、同じ天域を観測する必要がある」。ところが天文台の大口径望遠鏡は一般的に視野が狭いし、観測時間を長期間確保することが難しい。そこで本人のやる気次第でいつでも観測できる、アマチュア天文家の出番となる。「広い視野を持つ小型望遠鏡で、長期間観測する必要がある微惑星の掩蔽現象は、アマチュア天文家の新しい観測テーマになりうる」という。

川口編集長が肝と見るのは、観測ネットワークの構築と解析。「OASES観測グループがある程度、解析ソフトや機材ノウハウを提供することで『これは面白い!』と飛びつくアマチュア天体観測家はたくさんいるでしょう。彼らが観測に加われば総観測時間が飛躍的に増えるだけでなく、掩蔽現象を『面』で捉えられるようになり、微惑星の存在頻度だけでなく、形状や軌道まで求めることができるかもしれません。太陽系外縁に存在する微惑星の観測に、アマチュア天体観測家が参画できる道が開かれたことは、ワクワクするニュースです」と期待を語る。一言で言えば「燃える」のだと。

有松さんに星ナビ編集長のコメントを伝えたところ「全ての行程を自動化したようなソフトウェアの配布は難しいものの、一部の解析行程についてはソフトウェアの提供は可能と考えており、将来的にはアマチュアの皆さんと共同で研究できるような観測プラットフォームの整備を実現したいと思います」とのこと。リソースが厳しくすぐには難しいかもしれないが、期待して待ちましょう。

今後、有松さんたちは数多くの微惑星による掩蔽現象を観測し、太陽系果ての微惑星の理解を深めるとともに、より遠方、太陽系の最果てにある「オールトの雲」の天体発見をも目指す。望遠鏡の台数を増やすか、感度を上げれば観測は不可能ではないそうだ。オールトの雲は太陽系最後のフロンティア。もし天体を発見できれば、史上初だ。

プロの天文学者でも望遠鏡を操作できない人は多い。有松さんが中心となったOASESプロジェクトはプロの知識と、アマチュア天文少年時代から望遠鏡に親しみ培ってきた技術が融合して生まれた、唯一無二の成果ではないだろうか。空を愛でるアマチュア天文家とタッグを組みますます発展できたら、と夢が広がる。

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