太陽系の外からやって来た小天体が見つかった!?
──今日は最初にぜひ、太陽系の外から来たかもしれないという彗星のお話を伺いたいです。彗星ではないかもしれない、とも聞いていますが。
注：インタビューの１週間ほど前に、観測史上初となる太陽系外から飛来したと目される小天体（のちに「オウムアムア」と命名される）が発見されて、話題を集めていました
渡部：結局、彗星活動は見つからなかったんですよ。周囲に「コマ」と呼ばれる薄いガスの層が見えて、ガスを放出していることがわかると、彗星だということになるのですが。もしかすると本当に、太陽系の外の天体かもしれないですね。
渡部潤一 国立天文台教授
──そこはまだ確定できてないのですか？
渡部：「オールトの雲」という、たくさんの氷の塊が太陽系を球状に取り巻いていると考えられている場所があって、彗星の故郷のひとつだと考えられています。太陽系に他の星が近づいてくることがあって、その時には他の星の重力によって太陽系がガサガサッと揺さぶられるんです。非常に大きく揺さぶられて、太陽系を飛び出すのではなく、太陽に落ちてくるような軌道をとると、今回の天体のように「太陽系の外から飛んできたのかもしれない」と思わせるような極端な軌道をとる可能性があるんです。
──オールトの雲から来た天体なのか、それとも太陽系外から来たのかは、わからないんですね？
渡部：もしガスを出してくれる彗星であれば、その成分を調べて、太陽系の彗星とは全然違う、といったことがわかったりするかもしれないので、とても面白かったのですが。ただ、くわしい軌道計算をしてみると、どうもオールトの雲から来たとは考えられないようです。
──この天体をアルマ望遠鏡で観測したら、面白いことが分かったりしそうですか？
渡部：ぜひ観測してほしいですね。アルマでは、超低温の物体が放つ電波を見ることができます。それと、この天体は可視光で20等の明るさなので、明るさのデータと組み合わせることで、天体の大きさと、天体の表面の反射率が求められます。もしも反射率が95%などすごく高いということがわかったりしたら、じつは天体じゃなくて宇宙船だった！ということになるかもしれませんね（笑）。実際には可視光から赤外線にかけての反射から、結構赤っぽくて、反射率は低そうだ、と考えられています。
謎の太陽系外由来天体オウムアムアの想像図。 Credit: ESO/M. Kornmesser
アルマ望遠鏡はどうやって太陽系内の天体を観測する？
──アルマで太陽系内の天体を観測する場合、具体的には何を見るのですか？ 先ほど「アルマでは、超低温の物体が放つ電波を見ることができる」と伺いましたが。
渡部：太陽系の天体は、太陽の光を受けて温められています。大きな惑星の場合、内部に熱源を持つものもあります。温まったものからは「黒体放射」という、温度に応じた特徴的な電磁波が放出されます。温度がある程度高いと、赤外線が強く出ますが、かなり遠くて冷たいと、より波長が長い「ミリ波」や「サブミリ波」という電波が強く出るんです。
──温かいとか冷たいというのは、どのくらいの温度ですか？
渡部：宇宙空間にある物体は、太陽の光を遮ってしまうと摂氏マイナス270度ぐらいになるんですね。それが太陽によって温められると、太陽から見て地球くらいの距離の場所にあるものは０度くらいになって、赤外線が強く出ます。一方、もっと遠くなると、マイナス50度とかマイナス100度くらいになって、ミリ波やサブミリ波を強く出します。これをアルマで見るんです。
──マイナス100度は、私たちの感覚からすると極寒ですよね。
渡部：そうなんですが、そのまわりの宇宙の温度はマイナス270度なので、それと比べるとずいぶん高いんです。要するに、ホカホカしたものから出てくる電波を見る、というのが1つの大きな見方です。これによって、小惑星や衛星、それから太陽系外縁天体という海王星の軌道の外側にある多数の小天体などを観測できます。
それからもう1つの見方は、天体の表面を大気がおおっていたり、天体からガスが吹き出していたりする場合、その大気やガスの成分が特有の電波を放つことがあって、その電波を見るというものです。それによって、大気やガスにどういう成分が含まれているかとか、その成分がどんな動きをしているかとかを見ることができるんですね。
──先ほどの太陽系外から来たかもしれない小天体も、ガスを出していればいろんなことがわかる、という話でしたね
。
渡部：ええ。たとえば地球では、観測装置をあちこちに置いて風向きを細かく計測できます。いっぽうで遠くにある惑星の場合、多数の探査機を一度には送れないので、地球からの観測によって風向きを見るのですが、これがなかなか難しかったんです。可視光で観測する場合、木星のように雲があると、渦を巻いているなどとかわかりますが、火星のような透明な大気だとわからないんですよ。そこで、大気に含まれている分子が出す電波を調べて、それがどっちに動いているかをドップラー効果から知るんです。実際にアルマで、冥王星の透明な大気を観測しています。これは惑星大気の研究者にとって、非常に貴重なデータになると思いますね。
それから大気やガスの成分についてですが、微量成分って、意外と遠くから全体を見た方が分かったりするんですね。探査機で現地へ行ってしまうと、調べられる範囲に含まれる物質が微量すぎて、なかなか検出できないんです
──そういうものなんですね。
渡部：でもアルマで、地球から見て大気の端を突き抜けるように観測すると、大気の厚み分の微量成分が積み上がるので、むしろ見えやすいんです。そういう効果をねらって、たとえば土星の衛星タイタンの大気の成分をアルマで調べたりしていますね。
アルマ望遠鏡による観測で、土星の衛星タイタンに有機分子アクリロニトリルが発見されました。太古の地球に似ている、といわれるタイタンでの有機分子観測は、地球生命の起源にもヒントを与えてくれるかもしれません。画像は、アクリロニトリル分子の模式図。タイタンの画像は、探査機カッシーニが可視光で撮影した大気と赤外線で撮影した表面の画像を合成しています。
Credit: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); NASA
小惑星ジュノーが自転している様子までわかる！
──アルマ望遠鏡が見た太陽系天体の中で、渡部さんが「すごいなあ！」と思ったものには、どんなものがありますか？
渡部：ジュノーという、地球から約3億キロメートル離れたところにある小惑星の表面を、超高解像度で撮影したというものは、驚きましたね。しかもジュノーが自転している様子までわかったんです。
アルマ望遠鏡でとらえた、小惑星ジュノーの自転のようす
Credit: ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)
──まるで探査機で近づいて撮影したかのようですね！
渡部：じつは以前、可視光のフッカー反射望遠鏡で、ジュノーの表面にクレーターがあることを発見するなど、アルマよりもシャープに撮影しているものもあります。でも撮影には相当な時間が必要で、しかもかなり画像処理をしないといけないので、自転の様子をとらえるのは非常に難しいです。それに比べると、アルマは多少ピンボケに見えるかもしれませんが、あっという間にこの形状の動きを追えている、つまり「時間分解能」が高いという意味で、非常にすごいんですね。
──ひとつの画像の撮影に時間がかかっていては、刻々と変化する様子はとらえられないんですね。
渡部：それからこの観測では、天体の固体表面が温まりやすいか温まりにくいか、つまり「熱慣性」の違いを調べる、ということもおこなっています。
──表面が温まりやすいかどうかから、何がわかるんですか？
渡部：鉄の表面はすぐに熱くなるけど、木の表面からは熱が伝わってきにくいですよね。つまりその固体の成分がわかるんです。固体の場合は遠くから見ても、その組成はなかなかわからないんですよ。ガスであれば、その成分特有の電波や光を出すのでわかりやすいのですが
──そこで固体の成分を調べるのに、熱の伝わり方を調べるんですね？
渡部：それがひとつの方法です。ジュノーくらいの距離、太陽から2～3天文単位くらい（地球より2～3倍太陽から遠い）の小惑星だと、温度はずいぶん高いので、赤外線も出しているでしょうから、赤外線でも観測できるかもしれません。でもアルマは感度が高くて、時間分解能が高くて、空間分解能も高いので、非常にいいデータが得られます。
将来、アルマで小惑星を多数観測して、小惑星のタイプ別に熱慣性を系統的に調べることができたら、小惑星のタイプ別の性質が深く理解できるようになって、面白いでしょうね。
大彗星がやって来ればアミノ酸を発見できる？
──例の太陽系外から来たかもしれないという天体は、彗星ではなかったとのことですが、アルマは彗星の観測もおこなっているんですか？
渡部：ええ。2013年の初めに明るくなったレモン彗星や、大彗星になることが期待されたものの、2013年の末に太陽に最接近した際に消滅して話題になったアイソン彗星などを、アルマで観測しています。
──こうした彗星の観測で、どんなことがわかったのですか？
渡部：彗星にはさまざまな有機分子が含まれていることは、以前から知られていました。ですが、有機分子がどこから出てきたものなのかは、わかってなかったんです。これを知るためには、彗星のまわりに有機分子がどんなふうに広がっているかが見たいんです。
アルマ望遠鏡でレモン彗星とアイソン彗星を見ると、彗星のコマの中で、HCN（シアン化水素）という有機分子は、均等に分布していることがわかりました。一方、HNCという有機分子は、分布が一様ではなく、塊になっていて、しかもコマの中を動いているとわかったんです。これまでの望遠鏡ではピンボケにしか見えなかったのですが、アルマの高い解像度で、こうした空間分布が見えるんですね。
アルマ望遠鏡で観測した、レモン彗星（左）とアイソン彗星（右）のHCN分子の分布
Credit: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); M. Cordiner, NASA, et al.
──空間分布の違いは、何を意味するのですか？
渡部：HCNのほうは、彗星の成分である氷の中に閉じ込められていた何らかの分子──それはHCNそのものかもしれませんが──が溶けて、全体に均等に広がっていったと。一方、HNCは、彗星の中に含まれる塵を構成する有機物質が分解してHNCができたので、分布が一様ではないのだと理解できます。こうして、もともと彗星の中にはどんな物質が含まれていたのか、あとから作られた物質は何かがわかってくるので、彗星の研究者にとっては大きな進展なんです。
──それがわかると、さらにどんなことがわかるようになるのですか？
渡部：彗星は、太陽系の中では原始的な天体であって、かつての太陽系のさまざまな場所の情報をとどめた「化石」のようなものだと僕は思っています。ですから彗星がもともと、どんな物質でできていたのかを知ることは、太陽系がどのように誕生したのかを知る上で大事なのです。
それからもうひとつ、このレモン彗星とアイソン彗星は、比較的暗い彗星、中規模の彗星なんです。こういう中規模の彗星で、ここまで多くのことがアルマではわかるんだというのが、研究者にとっては驚きですね。これまでは10年や20年に1度来るくらいの大彗星レベルでないと、こうしたものは見えなかったんです。でもこうした中規模の彗星は毎年くらい見つかっているので、統計的な研究ができますよね。だから、アルマはやっぱりすごいですね。
──もし大彗星が来たら、アルマでは何が見えるでしょう？
渡部：やはりアミノ酸ですね。アルマができてから、まだ大彗星は来ていません。ですから大彗星が来た時に、その中に生命に直接関連するようなアミノ酸や、非常に複雑な有機分子をアルマで見つけられることを期待したいですね。
太陽系外縁天体の大きさを正確に知る
──惑星や衛星の大気や、小惑星、彗星などをアルマで見る話を伺いましたが、その他にアルマで見てみたい太陽系の天体には、何がありますか？
渡部：最初に触れましたが、海王星軌道より外側に何万個もある小さな氷の天体、「太陽系外縁天体」をアルマで見ることができますね。
──冥王星も太陽系外縁天体の1つですよね？
渡部：ええ。アルマは太陽からの距離が冥王星より3倍も遠いところにある太陽系外縁天体を観測しました。この天体は大きさがおよそ635キロメートルと考えられています。
アルマ望遠鏡が撮影した太陽系外縁天体2014 UZ224。
Credit: NRAO/AUI/NSF
じつは従来は、太陽系外縁天体の大きさを決めるのに、可視光の望遠鏡で見て、その明るさだけから推定していました。この場合、天体表面の反射率が違うと、大きさの推定値が全然違ってきます。でもアルマを使ってミリ波やサブミリ波で見たデータをそこに加えると、天体の大きさと反射率を両方とも正しく求められるんです。
──そのしくみを、くわしく教えてください。
渡部：ピカピカに磨かれた球と、泥の玉を置いておくと、泥の玉のほうが暗く見えますよね。でも、遠くにあると、大きさが分からないし、ピカピカかドロドロか、つまり反射率もわかりません。だから今までは、小惑星で測った反射率をもとにして、それと似たような反射率だろうと仮定して、大きさを推定するしかなかったんです。
──反射率を仮定した上で、光の強さから天体の大きさを推定していたんですね。
渡部：ええ。一方、アルマでは太陽系の天体の黒体放射を見ることができるという話をしましたよね。
──天体が太陽の熱で温められて、特有の電波を出すというものですね。
渡部：そうです。それで、大きな鍋で100度の水をぐつぐつ煮るのと、小さな試験管で100度の水を煮るのとでは、近づいた時に熱く感じるのは大きな鍋のほうですよね。同じ温度でも大きいほうがたくさん電波を出すんです。ですから、電波の強さがどのくらいかを知ることで、天体の大きさがわかります。すると、天体の大きさと光で観測した時の明るさを比べることで、天体の表面の反射率もわかります。
──光の強さと電波の強さを両方とも観測できれば、天体の大きさも反射率もちゃんとわかるんですね。
渡部：ええ。とはいえ、冥王星の3倍もの遠い距離にある、たった600キロメートル程度の天体の黒体放射を観測できるというのは、アルマはやっぱりすごいですよ。
──太陽系外縁天体の大きさがちゃんと測れると、その先にもっとわかってくるものはありますか？
渡部：本当のサイズ分布がわかってくると、太陽系外縁天体はいったん惑星になりかけたものが壊れてバラバラになったので小さな天体なのか、それとも氷の小さなかけらがどんどん集合・合体しつつある途中の状態で成長が止まってしまったので小さな天体になったのか、というのがわかってくるでしょうね。惑星が出きかけたんだけれど、時間が足りなかったのかな、と我々は思っていますが、1回できたものがバラバラになった可能性もあるんです。
探査機とアルマ、どちらが太陽系の観測に適している？
──太陽系の天体を調べるというと、探査機によるものが一般の皆さんになじみがあると思います。探査機で行くことと、アルマなど地上の望遠鏡で見ることの、それぞれのメリットとデメリットは何でしょうか？
渡部：探査機は限られた所にいって、非常に詳細に調べるのが得意ですね。だからピンポイントで何かを調べたいと思ったら、探査機のほうが有利な部分があります。ただし残念ながら、探査機を開発して打ち上げるにはお金も時間もかかるので、そう簡単には打ち上げられません。そして打ち上げても、観測できるのは5年、10年という期間ですよね。地上観測のいいところは、それこそ100年単位で、ものの変化を見られることなんですね。
──それは地上の望遠鏡で継続的に観測を続けることで、初めてわかってくることですね。
渡部：そうですね。さらにアルマを使うと、天体を細かく分けてみることができますから、たとえば火星の大気や気象の変化などは、火星の大気中のある種の分子を見ることでマッピングができます。これは今まで地上ではできなかったことです。火星には探査機がたくさん訪れていて、細かな地形の様子などは見えますが、逆にグローバルな大気循環や気象の様子は見ることができないですね。その点では、探査機とアルマとで、非常に相補的になっていると思いますね。
──それぞれの良さをうまく組み合わせると、いろんなことがわかってくるわけですね。
渡部：ただ、昔は地上観測のほうが安いと言ってましたが、アルマは結構高いからね（笑）。それでも、長く使えるという意味では、地上観測のほうが絶対に安いのですが。
──これまで、アルマを使った太陽系内の天体の観測は少なかったということですが、今後はどうなりそうですか？
渡部：最初は観測提案の競争率がとても高いこともあって、提案が通りにくかったですが、少し競争率が下がってくれば、太陽系内の天体観測の数も増えていくと思います。そうすれば、画期的な成果もすぐに出てくるでしょうね。
──渡部さんがもし「アルマを自由に使っていいよ」と言われたら、何を見ますか？
渡部：やっぱり彗星をかたっぱしから見てみたいですね。彗星はその生まれ故郷ごとに、成分に差があると考えられているんですが、これまでの観測では意外と、その差が少なかったんです。可視光の望遠鏡では成分差がなかなか調べられなかったので、アルマでそこを見てみたいですね。
