褐色矮星WISE 0855に水氷雲を発見、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が大気の変動を捉えた
ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）による観測で、宇宙で最も寒冷な褐色矮星WISE 0855に水氷雲が存在することが確認された。アリゾナ大学のブリタニー・マイルズらの研究チームが、近赤外分光器（NIRSpec）を用いた11時間の連続観測を行い、この天体の大気構造を明らかにした。
褐色矮星は恒星と惑星の間に位置する天体である。恒星と同じプロセスで形成されながら、核融合に必要な臨界質量に達しない「失敗した恒星」とも呼ばれる。一方、惑星としては質量が大きすぎる。WISE 0855は2014年にケビン・ルーマンがNASAの広視野赤外線探査衛星（WISE）を用いて発見され、太陽系から7.2光年離れた水蛇座に位置する。大気の平均上層温度は約265K（マイナス8℃）で、既知の褐色矮星の中で最も寒冷だ。
大気組成をめぐる10年の謎
WISE 0855がなぜ観測可能かといえば、恒星ではなくても赤外線（熱）を放射するからである。物質としての大きさは木星並みだが、質量は木星の3～10倍に達する。大気物理学では「ゴルディロックスゾーン」と呼ばれる特殊な温度域が存在する。融解した鉄が雲を形成するには低すぎず、水蒸気が氷雲となるには十分な寒冷さがあり、さらにアンモニアがガス状のままでいるほど暖かい領域である。WISE 0855はこの条件をすべて満たす。
だが天文学者たちは過去10年間、この天体に本当に水氷雲があるのか疑問を抱き続けてきた。WISE 0855は観測機器にとって単なる点光源に過ぎず、放射する赤外線をスペクトル分析で波長別に分解して化学物質の吸収特性を調べることはできても、その解釈が確定しなかったからだ。観測された分光特性が、より温かい深層からの光をさえぎる水氷雲によるものなのか、それとも上昇流によって上層大気に一酸化炭素、二酸化炭素、ホスフィンなどの化学物質が供給される「非平衡化学」によるものなのか、論争が続いていた。
JWSTが捉えた大気の動き
謎を解くため、研究チームはJWSTのNIRSpec装置の高輝度天体タイムシリーズ（BOTS）モードを活用した。11時間の観測時間を獲得し、15分ごとに波長2.87～5.27マイクロメートルの赤外スペクトルを記録した。44個の連続スナップショットを並べることで、WISE 0855の明るさが時間とともにどう変化するかを追跡できた。
三つの重要な発見が得られた。第一に、11時間の観測期間で最も顕著な明るさの変動は波長4.5～4.8マイクロメートルの領域で見られ、この帯域は一酸化炭素の吸収波長と一致した。褐色矮星が自転するにつれ、この領域の輝度は10%振動した。第二に、メタンやアンモニアなど共通の上層大気ガスに遮蔽されていないスペクトル領域では、二酸化炭素とホスフィンから多くの変動が観測された。第三に、水の分光特性は観測期間を通じてほぼ変わらなかった。
これらのデータから研究チームは大気の異なる深さで動作する二つの異なるパターンを分離した。全体の明るさ変動の約60.5%を占めるのは、表面温度の変動を反映した全体的な減光・増光パターンだという。
出典: Universe Today
