ベテルギウスが暗くなった理由がついに判明 ― それは皆さんが思っていることとは違う

2019年11月、近くの赤色超巨星ベテルギウスが暗くなりつつあるという噂が天文学者の間で広まり始めたとき、天体物理学者のミゲル・モンタルジェスは何か異常なことが起きているとは思わなかった。結局のところ、オリオン座のたくましい肩を形成するこの星には、規則的な暗くなる周期があるのだ。しかし、ベテルギウスの明るさが急激に低下するにつれ、彼は明らかな異常を無視することができなくなった。そこで彼は、標準的な周期が偶然一致したことを証明しようとし、私たちの親しみやすい近所の赤色超巨星にズームインできるチームと機器を探し出した。

「私の目標は、チリの超大型望遠鏡で画像を撮影し、その星が通常通りであることを示すことでした」と、現在パリ天文台で天文学者として働くモンタルジェ氏は言う。「もちろん、私は完全に間違っていました。」

一方で、噂は野火のように広まった。老齢のベテルギウスの爆発は、迫りくる壮大な超新星爆発の兆候なのだろうか？このような爆発する星は珍しい光景で、銀河系で観測されたのはわずか 5 回で、これほど近い距離で観測されたことはなかった。天文学者たちはそうは思わなかったが、赤色超巨星が何か異常なことをしていることは否定できなかった。その明るさは最終的に約 3 分の 2 に落ち、その後回復した。これは現代の測定が始まって以来の最低値だ。肉眼で星を見る人でさえ、暗くなるのに気づいた。

2年後、ベテルギウスは夜空にそのままの姿で残っている。では、何百光年も離れたオリオン座のその一角で一体何が起こったのだろうか？ モンタルジェスと彼のチームは、世界最強の望遠鏡の1つで観測を行い、何千もの理論を吟味する骨の折れる理論的作業を経て、最も可能性の高い説明を導き出した。彼らの結論は、天文学界がこの頭を悩ませる、いや、肩を掻きむしる問題に対して得られるであろう最良の答えである。

「これは、私たちがこれまでに見た『大減光』の原因に関する最も包括的な図です」と、この研究には関わっていないワシントン大学の天文学者エミリー・レベスク氏は語った。「ベテルギウスに何が起こったのか、実に素晴らしく明確な図が私たちに与えられています。」

世界クラスのズーム

ベテルギウスが天文学者の目の前で消えていくにつれ、原因は何かというアイデアが次々と浮かび上がった。単に何かが星を覆い隠しているだけかもしれない。連星系は知られていないので、星間塵の雲が前を漂っていたのかもしれない。あるいは、老齢の星を取り囲む広大な塵の雲の一部が厚くなったのかもしれない。星自体が冷えたのかもしれない。

この謎を解くために、研究チームは地球上で最も高性能なズームレンズの一つ、超大型望遠鏡のSPHERE（Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet Researchの略）と呼ばれる装置に目を向けた。

ほとんどの天文観測機器では、ベテルギウスは渦巻く塵の雲に囲まれた 1 ピクセルの点として表示されます。しかし、SPHERE を使用すると、研究者は十分にズームインして、星を丸い物体として実際に見ることができます。この至近距離からの視点により、研究者はベテルギウスが暗くなっているという事実だけでなく、どこで暗くなっているのかを観察することができました。

モンタルジェス氏と同僚はSPHEREを使って一連の画像を撮影した。2019年に減光が始まる前に偶然撮影した1枚の写真を基にした。研究チームは12月の減光中にもう1枚、2020年1月と3月にさらに2枚を撮影した。完全なシーケンスを撮影できたのは幸運だった。最初の画像は2夜にわたる観測期間の2日目に撮影されたもので、最初の試みは雲で失敗に終わった。「最終的に[減光前の]画像が撮れたのは本当に奇跡でした」と、ベルギーのルーヴェン・カトリック大学の共著者エミリー・キャノン氏は言う。

おそらく同様に奇跡的なのは、パンデミックでVLTが停止される前の観測最終日にチームが最後の画像を入手したことだ。

苦労して撮影したスナップショットは明確な事実を物語っていた。ベテルギウスの下半分は暗くなり、その現象の間ずっと暗いままだった。これは、急速に通過する恒星間侵入者の可能性を排除するものだった。

14,000回の推測、1つの答え

この出来事から数か月後、2 つの主要な仮説が浮上しました。どちらも異なる観測結果によって裏付けられています。1 つ目は、星の自然なベールの一部である近くの塵の塊が、その明るい表面を覆い隠しているように見えるというものです。2 つ目は、冷点も形成されたように見えるというものです。モンタルジェと彼のチームは、塵と冷点がどのように作用したかについて、合計約 14,000 のさまざまなモデルを検討し、SPHERE の画像に最も一致する理論を探しました。最終的に、2 つの効果が一緒に働いて星を暗くしたという結論に達しました。

彼らが考えた出来事は次の通り。大減光が起こる約 1 年前に、ベテルギウスは巨大なガスを噴き出し、水素やその他の原子の雲を放出した。その後、偶然にも、恒星表面の広大な領域が冷却された。対流がすべての恒星を揺り動かし、より高温の物質が上昇して表面に急速に冷却する泡を形成する。これは、天文学者が最近太陽で観測したポップコーンのような現象である。

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ベテルギウスのようなふくらんだ赤色超巨星では、こうした細胞が星の表面の最大4分の1を覆い、宇宙に寒気を送り出す。この寒波により、ガス雲は落ち着き、ザラザラした塵の分子に融合することができた。そして、その煤けた雲が星の光が地球に届くのを遮った。研究チームは、6月16日にネイチャー誌に研究結果を詳述した。

「人々はこの仮説の一部を提案していたが、このネイチャー誌の論文はそれをすべてまとめ上げるという素晴らしい仕事をしている」と付随する分析を書いたレベスク氏は言う。

近くの恒星のテストベッド

ベテルギウスはまだ現代の天文学者に超新星の詳細な説明を与えるほどのものではないが、この大減光現象は、太陽の少なくとも8倍の質量を持つ星々の最後の現象を理解する上で役立つだろう。

「ベテルギウスは、赤色超巨星を研究するための素晴らしい近場のテストベッドを提供してくれた。これを今後は、これらの恒星全体に応用できることを期待している」とレベスク氏は言う。

理論家たちは、冷たい部分やガスの噴出が一般的である可能性が高いことを知っていましたが、これらの動作がどのように相互作用するかを詳しく観察することで、恒星の表面から恒星風がどのように放出されるかを明らかにすることができます。

恒星風は、惑星や人類を形成する重い原子を宇宙全体に拡散させる役割を担っているほか、これらの重い恒星が寿命の終わりにブラックホールに崩壊するのに十分な質量を残すかどうかを決定する役割も担っている（ベテルギウスはおそらく中性子星になるだろうが、ブラックホールになる寸前である）。

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ベテルギウスは他の赤色超巨星よりも地球にかなり近いため、天文学者はベテルギウスが異常をきたしたときに何が起きているのかを実際に把握できる程度にははっきりと見ることができる。実際、この近くの星は非常に明るく輝いており、その強い放射線は繊細な天文機器を簡単に損傷する可能性がある。「ベテルギウスに関して最も恐れられるのは、実際に検出器を燃やしてしまうことです」とキャノン氏は言う。

多くの人が期待していた劇的な爆発はまだ起こっていますが、正確にいつ起こるかは誰にもわかりません。それは、今後 10 万年かそこらの間にいつ起こるかわかりません。一方、モンタルジェは、子供の頃に名前を覚えた最初の星であるベテルギウスに感傷的な気持ちを抱いています。彼は、残りのキャリアでこの赤色超巨星を研究することを楽しみにしています。

「私が70歳になったら、もしかしたら（超新星爆発しても）大丈夫かもしれない」と彼は言う。「あるいは80歳。80歳になったら大丈夫だ」