白色矮星は「食べた量」を磁場に隠していた

宇宙・天文
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太陽のような星が燃え尽きたあとには、地球ほどの大きさに縮んだ芯だけが残る。白色矮星（はくしょくわいせい）と呼ばれるその残骸の表面には、かつてまわりを回っていた惑星や小惑星のかけらが降り積もっている。表面に見える金属の「汚れ」を測れば、その星系にどんな材料の天体があったのかを逆算できる——これは、失われた惑星系をのぞく数少ない窓として、長く使われてきた手がかりだ。

ところが、その窓のガラスがかなり曇っているかもしれない、という計算結果が出た。犯人は白色矮星自身の磁場。降ってくる物質が磁力線に沿って両極のごく狭い帯へ押し込められるため、「表面全体に均一に広がっている」という前提で読むと、実際の量を大きく取りこぼしてしまう。ミシガン大学とコロラド大学ボルダー校の研究チームによる、モデル計算の結果である。

死んだ星に残る惑星のかけら

まず舞台の説明から。星が核融合の燃料を使い切ったあとにどうなるかは、その星の重さで決まる。とびきり重い星は超新星として派手に爆発するが、太陽くらいの星——天の川銀河の星のおよそ97%——は、外側のガスを静かに脱ぎ捨てるだけで終わる。

脱ぎ捨てたあとに残るのが、中心部の芯だ。核融合が止まると、外向きに押し返す力を失った芯は自分の重さでつぶれ、太陽に近い質量を地球ほどの体積に詰め込んだ状態で落ち着く。これが白色矮星で、もう燃えてはいないが、余熱でまだ光っている。

そして、死んだあとも星は完全に静かではない。近づきすぎた彗星や小惑星、ときには惑星そのものが、強烈な潮汐力（ちょうせきりょく＝天体を引き裂こうとする重力の差）でばらばらにされ、円盤になって星へ落ちていく。白色矮星はそれを元素レベルまで分解してしまうので、表面のスペクトルを調べれば、落ちてきた岩がどんな成分でできていたのかが読める。ふつうなら手の届かない、系外惑星の「中身」を知る手立てになるわけだ。金属で汚れた白色矮星は、これまでに1700個以上が見つかっている。

沈むはずの金属が見えている理由

ここで一つ、不思議な点がある。白色矮星の重力は桁違いに強い。カルシウムや鉄のような重い元素は、表面に落ちてもすぐ内部へ沈んでいってしまうはずで、観測される前に見えなくなっていておかしくない。

それなのに、これまでに見つかっている白色矮星のうち、実に半分ほどで金属の汚れが検出されている。共同筆頭著者のダン・ファムさん（コロラド大学ボルダー校の博士研究員）は、これを浴槽にたとえている。全米中の浴槽を見て回ったら、その半分で金属の棒が浮いていた、というくらい妙な話だ、と。

沈むはずのものが浮いて見えるということは、誰かが棒を投げ込み続けているということになる。つまり、白色矮星は過去に一度食べたきりではなく、いまもそれなりの速さで物質を取り込み続けている。沈んでいく分を補うだけの供給がなければ、汚れは維持できないからだ。だからこそ、汚れの量から「どれくらいの速さで食べているか」を見積もることが、惑星系の残骸を推し量る物差しになってきた。

磁力線に沿って両極へ向かう物質

その物差しに、研究チームは磁場という変数を持ち込んだ。

白色矮星に落ちていく残骸は、まず円盤になる。円盤の外側では岩や塵のまま漂っているが、星に近づくと熱で蒸発してガスになり、さらに紫外線や宇宙線でわずかに電気を帯びる。電気を帯びた瞬間、その物質は磁力線から逃げられなくなる。あとは磁力線というレールに乗って、両極付近へ運ばれていく。

ファムさんは、これは地球のオーロラとほとんど同じ現象だと説明している。太陽から飛んでくる荷電粒子が地球の磁力線に沿って極域へ導かれ、そこで大気とぶつかって光る。白色矮星の場合、飛んでくるのが太陽風ではなく、砕けた惑星のかけらだというだけの違いだ。要するにこの研究は、白色矮星の上に生じる「オーロラ」の大きさを計算した仕事だといえる。

その帯は、想像よりずっと狭い。計算では、降ってきた物質が最初に当たる範囲は、どんな条件でも星の表面積の1万分の1を超えない。白色矮星は地球とほぼ同じ大きさなので、地球の表面でいえば九州がまるごと収まるくらいの面積に、惑星系の残骸すべてが集中して降り注いでいることになる。

均一分布という前提の見直し

もっとも、降り積もったあとに広がってしまえば話は変わる。白色矮星の表面近くには対流——熱で温められたガスがぐるぐると入れ替わる層——があり、これが金属を横方向へ運んでならしていく。

そこで効いてくるのが、二つの時間の競争だ。ひとつは金属が内部へ沈んでいくまでの時間、もうひとつが対流で横に広がりきるまでの時間。広がるほうが速ければ表面はまんべんなく汚れ、沈むほうが速ければ、広がりきる前に消えてしまうので、極のまわりだけがまだらに汚れた状態が続く。

これまでの解析は、ほぼ例外なく「金属は大気全体に均一に混ざっている」という前提で組まれてきた。まだらのままの星に対してその前提を当てはめると、汚れが薄まって見える。実際には狭い場所に濃く溜まっているのに、全体に薄く広がっていると読み替えてしまうからだ。

取りこぼされる降着量

結果として何が起きるか。同じスペクトルを見ても、「表面全体がこれだけ薄く汚れている」と解釈するときと、「ごく狭い帯がこれだけ濃く汚れている」と解釈するときとでは、そこへ流れ込んでいる物質の量が大きく違ってくる。まだらであれば、実際の降着率は見積もりよりずっと高い。

共同筆頭著者のアスター・テイラーさん（ミシガン大学天文学科）は、これまで測られてきたよりもかなり多くの汚れが白色矮星にある可能性があり、惑星系の残骸は死んだ星のまわりでもっとありふれた存在かもしれない、と述べている。ホスト星が死んだあとも、惑星系はけっこう活発に動き続けている——それがこの計算から見えてくる姿だ。

100倍という数字の扱い

ここで話は、きれいな結論では終わらない。

チームの計算どおりの降着率を成り立たせようとすると、白色矮星のまわりには、これまで想定されてきた約100倍の材料が漂っていなければならない計算になる。100倍という数字にはもちろん幅があるのだが、テイラーさん自身が、その量はさすがに無理がある、と認めている。彗星や小惑星をそれだけ供給できる仕組みは、いまのところ思い当たらない。

だからこの研究の位置づけは、「白色矮星は思ったより食いしん坊だった」という発見ではなく、「どこかの見積もりが合っていない」という問題提起に近い。テイラーさんの言い方を借りれば、少なくとも、宇宙にどれだけの天体があると考えるか、その力学がどう働くと考えるかの目盛りは、いったん引き直す必要がある。答えらしきものを目を細めて探せる段階まで来たけれど、確かなものはまだ何もない、というのが率直なところだという。

まだら模様を確かめる手立て

とはいえ、この説には検証の道筋がある。鍵は、磁極と自転軸のずれだ。

地球の磁極が自転軸の北極とぴったり重なっていないのと同じで、白色矮星でも磁極が傾いていることがある。そうすると、金属が溜まった極の帯は、星の自転につれてこちらを向いたり裏へ回ったりする。地上から見れば、金属の信号が自転周期に合わせて強くなったり弱くなったりするはずだ。逆に、その変動の大きさを測れば、汚れている帯がどれくらいの広さなのかを絞り込める。

そして実際に、金属の吸収線が自転に合わせて強弱する白色矮星が観測されている。よく知られているのがWD 0816-310で、磁場に導かれて金属が降り積もった「痕」があると報告された星だ。現時点でこうした極への集中を示唆する例は2つ止まりで、今の観測技術で見つけるのはかなり難しいとテイラーさんも認めているが、少なくとも机上の空論ではない。

この話は、遠い将来の太陽系ともつながっている。太陽もいずれ外層を脱ぎ捨てて白色矮星になり、生き残った小惑星や惑星のかけらが、そこへ落ちていくことになる。そのとき太陽の残骸に刻まれる汚れを、どこかの誰かが正しく読めるかどうか——今回の研究は、その読み方の校正をしている作業でもある。

解釈上の留意点

いくつか、受け取り方を分けておきたい点がある。

まず、これはモデルと計算による理論研究で、極に溜まった物質を直接見た観測ではない。磁場が物質を極へ集めるという物理そのものは無理のない話だが、実際の白色矮星でどこまでまだらが残るかは、対流の性質や沈降の速さといった、まだ確定していない量に左右される。論文自身も、磁場をもつ白色矮星の大気を三次元でまるごと計算しないと結論は出ない、と締めくくっている。

「100倍」も、確定した数字として読むべきではない。上で触れたとおり、これは幅のある推定であり、しかも研究者自身が「その材料はどこから来るのか」という難点として提示している数字だ。過小評価の可能性を指摘した点に意味があるのであって、既存の測定値を100倍すれば正解になる、という話ではない。

なお、磁場をもつ白色矮星は全体の1〜2割程度とされる（太陽から20パーセク＝約65光年以内に限った調査では2割を超えるという報告もある）。影響を受けるのはその範囲に限られるので、汚れた白色矮星すべての見積もりがひっくり返るわけではない。

論文はすでに査読を通過してThe Astrophysical Journalへの掲載が決まっており、現時点ではarXivでプレプリント版を無料で読める。

出典

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