カイパーベルトの外側に10個以上の天体を発見

探査機「ニューホライズンズ」とすばる望遠鏡の連携観測で、カイパーベルトの外側にも小天体の多い領域がある可能性が出てきた。太陽系誕生の歴史にもかかわる成果だ。

【2024年9月10日すばる望遠鏡】

2006年に打ち上げられたNASAの探査機「ニューホライズンズ」は、2015年に冥王星系をフライバイ（接近飛行）し、2019年には海王星軌道の外にある小天体の多い領域「カイパーベルト」の天体「アロコス」へのフライバイを行った。

ニューホライズンズは、カイパーベルト内からカイパーベルト天体（KBO）の観測に成功した唯一の探査機だ。カイパーベルトは太陽から30au（1au＝約1.5億km）以上の距離にあるが、地球と太陽は1auしか離れていないため、地球から見るKBOは太陽位相角（太陽−天体−観測者を挟む角）が常に小さい。つまり、いつ見ても「満月」のようにKBOの正面から太陽光が当たった状態しか観測できないのだ。一方、カイパーベルト内の探査機から観測すれば、様々な位相角のKBOを見ることができ、反射光の特徴から天体の表面状態なども推定できる。

しかし、探査機のカメラは視野が狭いため、探査機自身でKBOを発見するのは不可能だ。そこで、ニューホライズンズの打ち上げに先立つ2004年から、同機の科学チームはすばる望遠鏡などの地上望遠鏡やハッブル宇宙望遠鏡（HST）を使い、ニューホライズンズの進行方向にあるKBOをたくさん見つけて、冥王星探査の後にニューホライズンズが接近可能なKBOや、探査機から観測できる天体を絞り込んできた。アロコスはこの探索で2014年にHSTが発見したKBOだ。

すばる望遠鏡とニューホライズンズ
（左）すばる望遠鏡、（右）カイパーベルトを飛行するニューホライズンズの想像図（提供：国立天文台/Southwest Research Institute）

この探索の一環として、2004～2005年にすばる望遠鏡の主焦点カメラ「Suprime-Cam（シュプリーム・カム）」が観測を行った際には、ニューホライズンズはいて座の方向にあった。そのため、KBOを探す視野は天の川銀河の中心方向となり、背景の星が多くKBO探しは困難を極めたが、それでも24個のKBOが新たに発見された。

すばる望遠鏡が検出したKBO
2011年にすばる望遠鏡のSuprime-Camで検出されたKBOの例。上段・下段の左列・中央列の4枚が2回の異なる撮影日時の画像。上中・下中の矢印が新たに発見されたKBO「2011 HL₁₀₃」の位置を示す。左列は複数枚のスタック画像、中央列はテンプレートを減算した画像、右列は2つの日時のカラースタック画像（提供：Buie et al.）

このときに見つかったKBOは、探査機の残り燃料で到達できる位置になかったため、フライバイ対象の候補にならなかったが、2020年からは後継の超広視野主焦点カメラ「Hyper Suprime-Cam（HSC; ハイパー・シュプリーム・カム）」を使い、より遠方のKBOを探す観測が始まった。この観測で得られる画像は、背景の星が密集しているだけでなく、検出したい天体も非常に暗いため、ノイズや他の天体とKBOを区別できる新たな解析手法が採用された。これによって2023年までに239個のKBOが見つかった。

現在の知見では、カイパーベルトは太陽から30～55au（45億～82億km）の範囲とされていて、HSCで発見されたKBOの多くはこの範囲にある。一方、カイパーベルトの外縁よりさらに遠い場所にもKBOが見つかった。「HSCによる観測で最もエキサイティングだったのは、既知のカイパーベルトを超える距離にある天体が11個も見つかったことです」（産業医科大学、千葉工業大学惑星探査研究センター吉田二美さん）。

HSCで見つかったKBOの分布を詳しく見ると、70～90au（105億～135億km）あたりにKBOの未知のグループが存在するように見える。また、55～70auの範囲にはKBOが少なく、分布の「谷間」のように見える。このようにKBOの少ない領域が存在することはこれまで知られていなかった。

HSCで発見されたKBOの距離の分布（提供：Wesley Fraser）