カイパーベルトは予想外に広大か？
―すばる望遠鏡 超広視野観測で「ニュー・ホライズンズ」に協力―
太陽系外縁部を進むニュー・ホライズンズ探査機にすばる望遠鏡の広く深い撮像観測が貢献しています。すばる望遠鏡の超広視野カメラで撮られたカイパーベルト天体の探査画像に独自の解析手法を適用した結果、カイパーベルトの領域を広げる可能性のある天体が発見されました。
図１：今回発見された2つの天体 の軌道を示す模式図（赤色：2020 KJ60、紫色：2020 KK60）。＋は太陽の位置、黄緑は内側から木星、土星、天王星、海王星の軌道、縦軸と横軸の数字は太陽からの距離（天文単位；1天文単位は太陽ｰ地球間の距離に相当）を表します。黒い点は太陽系初期にその場で形成された氷微惑星群と考えられている古典的なカイパーベルト天体を表し、それらは黄道面付近に分布しています。灰色の点は軌道長半径が30天文単位以上の太陽系外縁天体を表します。これらは海王星に散乱された天体も含みますので、遠くまで広がっており、多くは黄道面から離れた軌道を持ちます。図の丸や点は2024年6月1日時点での位置を表します。（クレジット：JAXA）
太陽系の中で、私たちが既に知る惑星たちよりも遠く先には何があるのでしょうか？ 海王星の先には小惑星などの天体（小天体）がリング状に分布している領域「カイパーベルト」があります。カイパーベルトからオールト雲（注1）までを「太陽系外縁部」と呼んでいますが、私たちの知識はまだ太陽に近い領域に限られています。
「太陽系以外に目を向けると、一般的な惑星系円盤の広がりは恒星から100天文単位（地球ｰ太陽間の距離の100倍）くらいです。それに比べると広がりが50天文単位程度とされるカイパーベルトはとてもコンパクトです。こうした比較から、太陽系が生まれる元になった星雲（原始太陽系星雲）が現在のカイパーベルトよりさらに外側まで続いた可能性もあると私たちは考えています」と本研究を主導した吉田二美博士（産業医科大学；千葉工業大学惑星探査研究センター）は語ります。
現在の観測データを見ると、カイパーベルトの外端は50天文単位あたりで突然途切れているように見えます。もしもこの外端が原始太陽系星雲の外端に相当するなら、太陽系の惑星系円盤はとてもコンパクトな状態で生まれたことになります。一方、カイパーベルトの外端がその外側の天体（惑星）の影響を受け、その後の進化の過程で切り取られてしまった可能性も考えられます。これが本当なら、カイパーベルトのさらに遠方を観測すれば円盤を切り取った天体や、もしかしたら第2のカイパーベルトが見つかる可能性もあります。このように太陽系外縁部にある天体を見つけ、その分布を調べることは、太陽系の進化を知ることに繋がるのです。
米国航空宇宙局 (NASA) の探査機「ニュー・ホライズンズ (New Horizons)」はそんな太陽系外縁部を調査するための計画です。2015年に冥王星系をフライバイ(近接通過)しながら観測、2019年にはカイパーベルト天体の一つであるアロコス（Arrokoth）をフライバイし、太陽系外縁天体の表層を初めて人類に垣間見せてくれました。アロコスへのフライバイ後にニュー・ホライズンズの延長ミッションが始まりました。そして探査機が今後調査するカイパーベルト天体の候補を探すために、すばる望遠鏡が協力することになりました（ハワイ観測所 2020年7月トピックス）。
すばる望遠鏡の超広視野主焦点カメラ（HSC）を用いたカイパーベルト天体探しはニュー・ホライズンズ探査機が飛行する方向の二視野（満月のおよそ 18 個分の広さに相当する領域）に絞って行われています。これまでに行われた約30半夜の観測で、ニュー・ホライズンズのサイエンスチーム（ミッションチーム）は、240個以上の太陽系外縁天体を見つけています。
本研究では上記の観測により取得した画像を日本の研究者を中心とするチームがミッションチームとは異なる手法で解析し、新たに7個の太陽系外縁天体を発見しました。主著者の吉田博士は、決まった視野を一定期間撮り続けたHSCの観測データにはJAXAが開発した移動天体検出システムを適用できることに気がつきました。このシステムは普段、近地球小惑星やスペースデブリの検出に使われています。これは32枚の連続した画像をいくつもの方向にずらして重ね合わせることにより特定の速度で移動する天体を検出するもので、高速処理のために独自の工夫がされています（図２）。研究チームがこの検出システムを用いて新たに発見した7天体のうち２つについてはおおよその軌道が求められ、国際天文学連合の小惑星センター (Minor Planet Center、MPCから仮符号が与えられました（注2）。
（図２）JAXAの移動天体検出システムでの検出例。一定の時間間隔で同一視野を撮像した32枚の画像（上の画像ではオレンジの枠内の画像）から移動天体を探していきます。カイパーベルト天体の移動速度範囲を仮定して、一枚一枚の画像をいくつもの方向に少しずつずらしながら重ね、うまく32枚重なったものを候補天体とします。図中の緑枠、水色枠、黒枠の画像はそれぞれ、２枚ずつ、８枚ずつ、そして32枚を重ねた画像です。一枚の画像でも、どの重ね合わせでも、中心に天体らしき光源があった場合は本物の天体と判断します。（クレジット：JAXA）
従来の研究では約50天文単位から外側ではカイパーベルト天体の数が激減すると認識されていたため、カイパーベルトの外縁はそのあたりにあると想像されていました。ところが、今回仮符号を与えられた２つの天体の軌道長半径はどちらも50天文単位を超えています（図1. 但しこれらの天体の軌道要素は、将来的に観測が蓄積するにつれて多少の変動がある可能性があります）。今後も似たような軌道を持つ天体が発見され続けば、カイパーベルトはさらに先まで続いていると言えるかもしれません（注３）。すばる望遠鏡と今もなお太陽系外縁部を飛行するニュー・ホライズンズの協力により、まだ人類の眼が未到である太陽系の深縁部へ探査の歩が進むことが期待されます。
「HSCを用いたミッションチームのカイパーベルト探しは今も続いており、今後も北米グループを中心として、次々と論文が出版される予定です。本研究はそれに先駆けて、日本の研究者が中心となり、日本で開発された手法で、カイパーベルトの領域を広げる可能性のある天体を発見したものです。」と吉田博士は語ります。
本研究成果は、日本天文学会欧文研究報告（Publications of the Astronomical Society of Japan；PASJ）に 2024年5月29日付で掲載されました（Yoshida et al. "A deep analysis for New Horizons' KBO search images "）。
（注1） 太陽系の最外端には巨大惑星が弾き飛ばした微惑星が太陽を中心に球殻状分布していると理論的には想像されており、そのような天体の分布する領域をオールト雲と言います。オールト雲は太陽から10万天文単位あたりまで広がっていると推定されています。
（注2） 仮符号がついた天体がその後何度も観測されて、軌道が正確に決まると確定番号がつきます。すると発見者（この場合は研究チーム）に天体の命名権が与えられます。天体の命名については国際天文学連合の定める決まりがあり、太陽系外縁天体の場合は神話にちなんだ名前がつけられます。
（注3） ミッションチームが発見した天体の軌道分布や探査機のダストカウンターの測定値からもカイパーベルトがさらに広がっている可能性が示されています。ミッションチームはすばる望遠鏡HSCを用いた観測を継続する考えです。
すばる望遠鏡について
すばる望遠鏡は自然科学研究機構国立天文台が運用する大型光学赤外線望遠鏡で、文部科学省・大規模学術フロンティア促進事業の支援を受けています。すばる望遠鏡が設置されているマウナケアは、貴重な自然環境であるとともにハワイの文化・歴史において大切な場所であり、私たちはマウナケアから宇宙を探究する機会を得られていることに深く感謝します。
関連リンク
A New Horizon for the Kuiper Belt: Subaru Telescope's Wide-Field Observations
The Subaru Telescope's wide and deep imaging observations are contributing information to the New Horizons spacecraft as it moves through the outer Solar System. By applying a unique analysis method to images of Kuiper Belt objects taken by the Subaru Telescope's ultra-wide-field camera, objects that have the potential to extend the Kuiper Belt region have been discovered.
Figure 1: Schematic diagram showing the orbits of the two discovered objects (red: 2020 KJ60, purple: 2020 KK60). The plus symbol represents the Sun, and the green lines represent the orbits of Jupiter, Saturn, Uranus, and Neptune, from the inside out. The numbers on the vertical and horizontal axes represent the distance from the Sun in astronomical units (au, one au corresponds to the distance between the Sun and the Earth). The black dots represent classical Kuiper Belt objects, which are thought to be a group of icy planetesimals that formed in situ in the early Solar System and are distributed near the ecliptic plane. The gray dots represent outer Solar System objects with a semi-major axis greater than 30 au. These include objects scattered by Neptune, so they extend far out, and many have orbits inclined with respect to the ecliptic plane. The circles and dots in the figure represent their positions on June 1, 2024. (Credit: JAXA)
What lies beyond the known planets of our Solar System? Beyond Neptune, there is the Kuiper Belt, a ring-shaped region of asteroids and other small objects. The area from the Kuiper Belt to the Oort Cloud (Note 1) is called the "outer Solar System," but our knowledge is still limited to the regions closer to the Sun.
"Looking outside of the Solar System, a typical planetary disk extends about 100 au from the host star (100 times the distance between the Earth and the Sun), and the Kuiper Belt, which is estimated to extend about 50 au, is very compact. Based on this comparison, we think that the primordial solar nebula, from which the Solar System was born, may have extended further out than the present-day Kuiper Belt," says Dr. Fumi Yoshida (Industrial Medical University of Japan; Center for Planetary Exploration Research, Chiba Institute of Technology), who led the research.
According to current observational data, the outer edge of the Kuiper Belt appears to be abruptly cut off around 50 au. If this outer edge corresponds to the outer edge of the primordial solar nebula, then the planetary disk of the Solar System was born very small. On the other hand, it is also possible that the outer edge of the Kuiper Belt has been clipped by its outer bodies (such as undiscovered planets). If this is true, observations further out in the Kuiper Belt may reveal a cut-off object, or a second Kuiper Belt. Finding objects at the outer edges of the Solar System and studying their distribution will help us to understand the evolution of the Solar System.
NASA's "New Horizons" is a space mission to explore the outer Solar System. It had a flyby of the Pluto system in 2015 and Arrokoth, one of the Kuiper Belt objects, in 2019. New Horizons gave us the first glimpse of the surface of an outer Solar System object. After the Arrokoth flyby, the New Horizons' extended mission started, and the Subaru Telescope began helping to find Kuiper Belt objects for the spacecraft to flyby and/or observe (Subaru Telescope, July 2020 Topics).
The search for Kuiper Belt objects using the Subaru Telescope's Hyper Suprime-Cam (HSC) was focused on two HSC fields along the spacecraft’s trajectory (combined the two fields cover an area of the sky equivalent to about 18 full moons). In about 30 half-nights of observations, the New Horizons science team (mission team) has so far found more than 240 outer Solar System objects.
In this study, a team led by a Japanese researcher analyzed images acquired from the above observations using a different method than the mission team and discovered seven new outer Solar System objects. The lead author, Dr. Yoshida, noticed that the HSC observation data, which had been taken at regular intervals with a fixed field of view, could be analyzed with the Moving Object Detection System developed by JAXA, which is normally used to detect near-Earth asteroids and space debris. This system detects moving objects at a specific velocity by overlaying 32 consecutive images shifted in any direction. It is uniquely designed for high-speed processing (Figure 2). Two of the seven new objects discovered by the team using this detection system have had their approximate orbits determined and have been assigned provisional designations by the Minor Planet Center (MPC) of the International Astronomical Union (Note 2).
Figure 2: An example of detection by JAXA's Moving Object Detection System. Moving objects are detected from 32 images of the same field taken at regular time intervals (the images in the orange frames in the above figure). Assuming the velocity range of Kuiper Belt objects, each image is shifted slightly in any direction and then stacked. The green, light blue, and black framed images are the result of stacking 2 images each, 8 images each, and 32 images, respectively. If there is a light source in the center of a single image as well as each of the overlapping images, it is considered a real object. (Credit: JAXA)
Previous observations have shown that the number of Kuiper Belt objects decreases dramatically beyond about 50 au, so the outer edge of the Kuiper Belt is thought to be about there. However, the semi-major axis of the two objects discovered and provisionally designated are both greater than 50 au (Figure 1. However, the orbital elements of these objects may somewhat vary as observations accumulate in future). If such discoveries continue, we may conclude that the Kuiper Belt extends even further (Note 3). Through the collaboration of the Subaru Telescope and New Horizons, which is still traversing the outer Solar System, we anticipate the exploration to extend into the deeper regions of the outer Solar System, which have not yet been reached by the human eye.
"The mission team's search for Kuiper Belt objects using HSC continues to this day, and a series of papers will be published in the future, mainly by the North American group. This research, the discovery of sources with the potential to expand the Kuiper Belt region using a method developed in Japan and led by Japanese researchers, serves as a precursor to those publications," says Dr. Yoshida.
The results of this research were published in Publications of the Astronomical Society of Japan (PASJ) on May 29, 2024 (Yoshida et al., "A deep analysis for New Horizons' KBO search images").
(Note 1) At the outermost edge of the Solar System, planetesimals ejected by giant planets are theoretically thought to be distributed in a spherical shell around the Sun, forming what is known as the Oort Cloud. The Oort Cloud is estimated to extend from the Sun to about 100,000 au.
(Note2) When an object with a provisional designation has been observed many times and its orbit has been accurately determined, it is then assigned a definitive number. The discoverer (in this case, the research team) then has the right to name the object. The International Astronomical Union has established rules for naming celestial objects, and outer Solar System objects are given mythological names.
(Note3) The orbital distribution of the objects discovered by the mission team, as well as measurements from the spacecraft's dust counter, indicate that the Kuiper Belt may be more extended, and the mission team intends to continue observations using HSC.
About the Subaru Telescope
The Subaru Telescope is a large optical-infrared telescope operated by the National Astronomical Observatory of Japan, National Institutes of Natural Sciences with the support of the MEXT Project to Promote Large Scientific Frontiers. We are honored and grateful for the opportunity of observing the Universe from Maunakea, which has cultural, historical, and natural significance in Hawai`i.