論文関連の(ほぼ)個人用メモ。



arXiv:1703.10130
Vida et al. (2017)
Frequent flaring in the TRAPPIST-1 system - unsuited for life?
(TRAPPIST-1 系での頻繁なフレア - 生命には不向きか？)

概要

TRAPPIST-1 系のケプラー K2 ミッションで得られた光度曲線を解析した結果を報告する．

観測データのフーリエ解析の結果，TRAPPIST-1 の自転周期は 3.295 日であることが示唆された．

また，観測された光度曲線中には複数のフレアが見られる．42 回のフレアイベントを解析し，フレアのエネルギーは 1.26 × 10³⁰ - 1.24 × 10³³ erg の範囲であった．

解析した全フレアのうち，およそ 12%は複雑な形状の複数ピークを持つフレア爆発であった．フレア現象と，自転に起因すると思われる明るさの変動の間には，明確な相関は見られなかった．

TRAPPIST-1 のフレア活動は周囲を公転する惑星の大気に対して継続的に影響を与える可能性がある．そのため，周囲の惑星で生命を保持するには不利になる可能性がある．

解析結果

光度曲線のフーリエ解析

光度曲線のフーリエ解析の結果，最も明確なピークは 3.293 日周期で見られた．これは Luger et al. (2017) で発見されていた変動と同一のものである．この変動は，黒点を持つ恒星の自転による変動である考えられる．

なお，Gillon et al. (2016) では地上からの TRAPPIST 望遠鏡の観測から 1.40 日周期の変動の存在を報告している．この値は，測定された視線速度 6 ± 2 km s^-1 (Reiners & Basri 2010) に対応しており，傾斜角 90°，半径 0.117 太陽半径 (Gillon et al. 2016) とすると恒星の自転周期が 0.9866 日 (誤差を考慮すると 0.74 - 1.48 日) であることに対応する．しかし，K2 光度曲線のフーリエスペクトルからは，似た自転周期を示す特徴は見られなかった．

次に明確なピークは 2.915 日周期に見られた．このような自転周波数に近いシグナルは，しばしば恒星の差動回転によって生じることがある．しかし観測された二番目の周期を差動回転で説明するためには，強い表面のシア (P₁ - P₂)/P_平均 ~ 0.12 を必要とし，この値は高速自転している恒星では難しい．また，おそらく恒星内部全体が対流している M 型星にも難しい．

その他には，22.3 日と 37.5 日の長い周期も存在する．しかし，これは実際のシグナルかどうかは疑わしい．

光度曲線中のフレア

K2 の光度曲線中には強いフレア活動が見られ，全部で 42 回のフレアイベントを同定した．これらのフレアイベントのうち，5 回 (12%) は複雑な複数ピークを持つ爆発であった．この割合は，M4 型星 GJ 1243 でのさらに多くの回数のフレアを観測した結果から得られた割合と非常に似ている (Silverberg et al. 2016)．

各フレアイベントのエネルギーは，全イベント中最も弱いものは 1.26 × 10³⁰ erg であった．また，最も強い爆発では 1.24 × 10³³ erg であった．


あるエネルギー範囲 E 〜 E + dE の値を持つフレアの回数を dN とした場合，dN(E) ∝ E^-α dE というべき乗則が見られることが知られている (Hawley et al. 2014など)．これを積分することにより，フレアの累積度数分布は log ν = α + β logE となる．ここで ν はあるエネルギー E より大きいエネルギーを持つフレアの累積度数である．また β = 1 - α (Gizis et al. 2017) である．

この関係式は線形関数でフィッティングすることができ，傾き 1 - α を与える．この α は，フレアのエネルギーがどう散逸しているかを特徴付けるのによく用いられる．今回のデータのベストフィットでは α = 1.59 となり，TRAPPIST-1 のフレアエネルギーは大部分が非熱的であることを示す結果である (Aschwanden et al. 2016参照)．これは Hawley et al. (2014) のサンプル中における，その他の非常に活発な M 型矮星の特徴と類似している．

また，TRAPPIST-1 表面の黒点のある領域とフレアの関係性についても考察した．フーリエスペクトル中に見られた周期が，黒点を持つ表面の自転による変動だと考えた場合，低温の黒点とフレアの活動の関係性について調べることが出来る．これにより，太陽でも見られるような，光球活動と彩層活動の関係を示唆出来る可能性がある．

解析のため，光度曲線やフレアの発生個数を TRAPPIST-1 の自転周期で区切り，重ねてプロットした．その結果，フレアは自転周期のどの段階でも発生している事が分かった．しかし，光度曲線が極小を迎える辺りでいくらかフレアの発生頻度が高いように思われる．光度曲線が極小になる時というのは，見えている表面の黒点数が最も多い状態に対応している．

興味深いことに，最も強いクラスのフレアは光度曲線の極大周辺でよく起きているように思われる．この特徴は，TRAPPIST-1 よりはいくらか高温だが，同じく恒星内部で全体対流をしている M4 型星 V374 Peg で見られる振る舞いと非常に似ている (Vida et al. 2016)．

議論

TRAPPIST-1 のフレア活動が，周囲の惑星の生命存在可能性 (habitability) に与える影響について簡単に議論する．ここでは，Kopparapu et al. (2013) によるハビタブルゾーンのモデルをベースにした議論を行う．

TRAPPIST-1 の静穏なフェーズでは，1 地球質量の惑星にとっての保守的なハビタブルゾーン (conservative habitable zone) は，TRAPPIST-1 から 0.024 - 0.049 AU の範囲である．(TRAPPIST-1 の有効温度は 2550 K，光度は 0.000525 太陽光度)．

フレアの間は TRAPPIST-1 の等級は 1 - 1.5 上昇し，光度は 0.0013 - 0.0021 太陽光度になる．これを元に計算すると，ハビタブルゾーンの範囲は 0.038 - 0.077 AU から 0.048 - 0.097 AU の範囲と取りうる．これは非常に大きな変化である．この議論は大雑把な見積もりではあるが，TRAPPIST-1 やその他の晩期型矮星の周りでの生命存在可能性には不利な結果である．ただし，将来の TRAPPIST-1 系の分光観測により，惑星大気に中心星の磁気的活動が与える影響と，惑星の磁場との相互作用を理解する手助けになるだろう．


惑星が十分に強い磁場を持っていた場合，フレア爆発現象による有害な効果を防ぐ可能性がある．

Kay et al. (2016) によると，M 型星における典型的なコロナ質量放出の質量と速度の場合，大気への影響を防ぐためには，地球型惑星は数十から数百ガウスの磁場を持っている必要があるが，ホットジュピターは数ガウスから 30 ガウスでよいとされている．また，岩石惑星はこれらのフレアから大気を保持するのに十分な磁場を持つことが出来ないと結論づけている (例えば地球は 0.5 ガウス程度)．

さらに，典型的な太陽フレアのエネルギーは 10²⁷ - 10³² erg である．最も高エネルギーなイベントの一つは，キャリントンイベント (Carrington Event) として知られる 1859 年に発生したフレアで，この時のエネルギーは 10³³ erg である．このフレアは，地上にまで到達する最も強い磁気嵐を引き起こした．

このような高エネルギーのフレアと，それに伴うコロナ質量放出 (Coronal mass ejection, CME) は，TRAPPIST-1 ではもっと頻繁に発生する．また，太陽と地球に比べさらに近い距離で惑星の地表に到達する．(TRAPPIST-1 まわりの惑星の軌道長半径は 0.011 - 0.063 AU の範囲 (Gillon et al. 2017))．これにより，TRAPPIST-1 の系外惑星系で発生しうる磁気嵐は，地球で起きた最も強力な磁気嵐の 100 - 10000 倍になりうる．そのため，この系での複雑に発展した生命の存在可能性には疑問符が付く．

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先日複数の地球型惑星が発見された TRAPPIST-1 系の，ケプラーによる観測結果の解析です．ケプラーによる観測では TRAPPIST-1 が頻繁に高エネルギーのフレアを起こしていることが確認されました．そのため，TRAPPIST-1 周囲の惑星はたとえハビタブルゾーンの中にあったとしても，生命の存在には厳しい環境にある可能性がここでは指摘されています．

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