図1:M型矮性のイメージ図と、そこで観測されたナトリウム(Na)と鉄(Fe)のスペクトル。
(クレジット:アストロバイオロジーセンター)

アストロバイオロジーセンターの研究者を中心とする国際チームは、すばる望遠鏡の近赤外線高分散分光器「IRD」を用いた惑星探索プロジェクト(IRD-SSP)のデータを利用して、低温度星13個の化学組成を明らかにしました。IRD-SSPは、「M型矮星」とよばれる、太陽より軽く温度が低い恒星(低温度星)の周りに惑星を探しています。本研究は、惑星発見に先立ってM型矮星自身の特徴を明らかにしたもので、IRD-SSPのデータを用いた初めての成果となります。

 

恒星の化学組成とは、星を構成する成分のうち鉄やナトリウム、マグネシウムといった各元素がそれぞれどれくらいの割合で存在するのかといった情報です。これは、その恒星の周りに存在するかもしれない惑星(系外惑星)の形成材料にも反映されるため、今後系外惑星が発見された際に惑星の特徴を調べるために必要となります。また、その恒星が銀河系の進化の中でいつ生まれたかということの指標にもなる重要な情報です。そのため、太陽と同程度の温度の星(FGK型星)の化学組成については可視光での分光観測による長い研究の歴史があります。一方、M型矮星は可視光で見ると非常に暗いことと、温度が低いために分光データが複雑であることにより、従来の方法では化学組成を測定するのが困難でした。

 

そこで研究チームは、IRD-SSPで収集される近赤外線スペクトルを利用した独自の方法を開発し、初期サンプルとして13個のM型矮星の化学組成(具体的には水素 に対する、ナトリウム、マグネシウム、カリウム、カルシウム、チタン、クロム、マンガン、鉄、ストロンチウムの存在量の比(割合))を測定しました。IRDは可視光よりも近赤外線で明るいM型矮星の観測に最適化された装置です。さらに、世界最大級のすばる望遠鏡の大口径は特に暗いM型矮星を調べることを可能としました。惑星探索のためには同じM型矮星を複数回、時期を変えて観測するため、それらのデータを合わせて利用することで1度きりの観測よりも高品質なデータが得られたことも有利な点です。

 

測定の結果、今回の13個のM型矮星は太陽の近くのFGK型星と似た化学組成を持つことがわかりました。また、ヨーロッパ宇宙機関のガイア衛星のデータを組み合わせることで銀河系内での動きを調べたところ、特に金属量が少ないM型矮星ほど太陽とは異なる運動をしている傾向が示唆されました(図2)。この傾向はFGK型星でも知られており、銀河系の化学進化を反映していると考えられます。今回のターゲットの中には「バーナード星」とよばれる有名なM型矮星も含まれています。この星は銀河系内でも比較的古いタイプの恒星であることを示す複数の証拠が報告されていますが、本観測によって初めて得られた詳細な化学組成測定の結果もそれに矛盾しないものでした。

図2:左は水素に対する鉄の存在量比(金属量)と鉄に対するマグネシウムの存在量比の関係(太陽での存在量比に対する相対値)を示した図で、多くの星が太陽と似たような値をもつ一方、金属量の低い星も存在していることがわかります。右は銀河系のなかでの星の運動を表した図で、太陽と同じように銀河系の円盤にそった回転運動をしている星が多いものの、そこからはずれた運動をしている星もあることがわかります。赤星で示すのが本研究で調べられた13個のM型矮星、赤三角は同研究チームによる先行研究で扱ったM型矮星(Ishikawa et al. 2020)。比較のため、F、G、K型星約1000個の文献値(Adibekyan et al. 2012)を黒い点で示してあります。今回調べたM型矮星の多くは、太陽と似た組成や運動をもちますが、バーナード星のように金属量が少なく、太陽とは異なる運動をしている星もあり、それらを含めてF、G,K型星と同じような傾向があることがわかりました(白抜き印)。
(クレジット:アストロバイオロジーセンター)

今回の成果は13個のM型矮星の詳細な化学組成が明らかになったことにとどまらず、IRDによる惑星探しが行われつつある約100個のM型矮星の化学組成が、近いうちに測定可能であることを示したことに意義があります。太陽系の近くに存在するM型矮星がどのような星たちなのか、初めて明らかになることが期待されます。また、今後IRDが惑星を発見した際には、惑星材料の化学組成を提示することで、その惑星の特徴にもヒントを与えるでしょう。

 

本研究は米国の天文学専門誌『アストロノミカルジャーナル』に2022118日付で掲載されました。
(Ishikawa et al. "Elemental Abundances of nearby M Dwarfs Based on High-resolution Near-infrared Spectra Obtained by the Subaru/IRD Survey: Proof of Concept")

 

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