ヘビー級であることだけでは褐色矮星を恒星に変えるには不十分

夜空を見上げてください。たくさんの星が見えますか? 明るい光点の 1 つごとに、光らなかった物体があるかもしれません。しかし、天文学者は何十年もかけて、なぜ一部のガス球は明るく輝き、他のガス球は暗闇に隠れているのかを解明しようとしてきました。

しかし今回、天文学者たちは初めて、成功した星と同じくらいの大きさの失敗した星を発見した。これは、星の形成に関する私たちの知識に疑問を投げかけるものだ。

天体物理学ジャーナルに掲載された論文で、カーネギー科学研究所の研究者らは、約12光年離れた奇妙な恒星系を調査した。この三重星系には、太陽よりわずかに小さい恒星1つ（イプシロン・インディA）と、2つの失敗した恒星（イプシロン・インディBとC）が含まれている。

天文学者たちは2002年にこの2つの恒星、いわゆる「褐色矮星」を特定したが、その正確な質量は測定されたことがなかった。研究チームは何年もかけてこれらの天体と、それらが親星に及ぼす微妙な影響を監視し、その影響によって星系の中心位置からわずかにずれる様子を観察した。

彼らが発見したのは驚くべきものだった。質量だけから判断すると、これらのうち少なくとも 1 つは恒星であるはずで、もう 1 つもそれに劣らない。実際、これらはこれまでに発見された T 型矮星の中で最も質量が大きい 2 つの星である。(T 型矮星はメタンが豊富な褐色矮星の一種である。)

「これらの質量が非常に重要な領域、つまり恒星と褐色矮星の境界にあることが分かりました」と、カーネギー研究所の観測天文学者でこの研究の主執筆者であるセルジオ・ディーテリッヒ氏は言う。

イプシロン・インディBの質量は、太陽系最大の惑星である木星の約75倍です。正確な質量がわかっている最も質量の小さい恒星の1つは、グリーゼ752の連星であるVB10です。これも木星の75倍の質量です。イプシロン・インディCは木星の70倍の質量で、これは理論上恒星が持つことのできる絶対最小質量とほぼ同じです。

イプシロン・インディBとイプシロン・インディCをVB10と区別するのは熱です。VB10は水素原子をヘリウム原子に融合させてエネルギーと熱を放出し（そして自らの力で輝きます）、イプシロン・インディBとCは冷たいのです。「これらの天体が褐色矮星なのは、非常に冷たいからです。融合が持続するには、一般的に木星質量の70～80倍の質量が必要だと考えられています。恒星がこれ以上冷たくなることはないでしょう」とディートリッヒは言います。

恒星と褐色矮星の間の曖昧な領域には候補となる天体が多数存在しますが、それらの質量はよくわかっていません。しかし、イプシロン・インディ星系は科学者にとって完璧な観測の機会を提供します。恒星が周囲の物体と相互作用する様子を観察すると、それらの物体と恒星自体の質量を判定するのに役立ちます。この場合、天文学者はこれらの褐色矮星が母星をどれだけ「引っ張る」かを観察できます。

「これらは（この質量範囲では）初めての明白な褐色矮星です」とディートリッヒ氏は言う。「質量がわかっている天体は他にもいくつかありますが、温度が高いため、恒星なのか非常に若い褐色矮星なのか正確にはわかりません。」

これは非常に重要な違いだ。高質量の褐色矮星は恒星と同じ構成要素から形成され、初期の核融合（恒星で自然に起こる核反応）を起こすこともある。褐色矮星もこの時期に高温で燃え、他の原始星と同じように見える。「誕生して数百万年は若いため、核融合の刺激を受けますが、褐色矮星または恒星として落ち着くのは晩年になってからです」とディーテリッヒ氏は言う。ディーテリッヒ氏によると、ほとんどの恒星は 2100 K 以上で​​燃えるという。これも褐色矮星を区別するもう 1 つの方法だが、特に若い褐色矮星は形成時から非常に高温であるため、まだいくらか光を発している可能性がある（イプシロン インディ B と C は光を発せず、それぞれ約 900 K と 1,300 K である）。

「私にとって、これは非常に驚くべき結果ですが、これらの物体を理解する上で非常に重要な結果です」と、ニューヨーク市立大学ステートアイランド校の天文学および物理学の准教授であり、アメリカ自然史博物館の研究員でもあるエミリー・ライス氏は言う。ライス氏はこの研究には関与していない。

イプシロン・インディBとCは散発的に核融合を起こした可能性があるとライス氏は言うが、彼女はそれを車のエンジンをかけようとするとキーは回るが完全には始動しないのに似ているとしている。恒星の場合、「エンジンをかけたままにしておけば、エンジンが切れることはないはずだ」とライス氏は言う。

ディエテリッヒ氏と彼のチームは、このような天体の探索に数年を費やし、2013年にはいくつかの候補を概説した論文を発表した。イプシロン・インディBが恒星質量に近いにもかかわらず恒星にならなかった理由について、ディエテリッヒ氏は、大気中にどれだけの重元素が含まれているか、そして天体を構成するガス雲が、物事を開始させるほど十分に濃密ではなかったことが関係しているかもしれないと述べている。

一般的に、周期表でヘリウムより重い元素はすべて「金属」と呼ばれます。モデルによっては、比較的金属を含まない一部の天体は、はるかに高い質量、つまり議論の余地なく恒星と同じ質量に達するまで恒星にならない可能性があります。「金属がまったくなく、水素だけの原始的な天体の場合、恒星の限界は太陽の98倍の質量になります」とディートリッヒは言います。しかし、そのような天体は、銀河の歴史の非常に初期から存在していませんでした。

今後数年間で、恒星と褐色矮星の境界にさらに奇妙な天体が現れるかもしれません。研究者たちは、木星の80倍近くの質量を持つ、TRAPPIST-1のような小さくて非常に冷たい恒星を発見しています。また、恒星の境界に向かってゆっくりと近づいてくるイプシロン・インディBのような天体もさらに発見されるかもしれません。これらは宇宙で最も奇妙な天体の一部であり、恒星に真のスターパワーを与えるものが何なのかを解明することに一歩近づきつつあります。