褐色矮星とは？星と惑星の中間天体の定義・質量・観測ガイド
褐色矮星の定義・質量・観測法をわかりやすく解説。星と惑星の境界、発見事例や観測のコツまで完全ガイド。
褐色矮星は、星と同じものでできているが、水素核融合（水素原子がヘリウム原子に結合すること）に必要な質量を持たない天体である。星が光っているのは核融合によるものです。褐色矮星はこの核融合ができるほどの質量がないので、通常の星ではありません。一方、褐色矮星は光りますので、普通の巨大惑星ではありません。褐色矮星はたくさんあると考えられていますが、絶対的な大きさが小さいため、ほとんど見つかっていません。
褐色矮星の質量は、最も重いガス惑星と最も軽い恒星の間にあり、上限は木星の質量（M）Jの75～80倍程度とされている。13M以上のJ褐色矮星は重水素を、65M以上の褐色矮星はJリチウムを融合していると考えられている。
褐色矮星は、その名の通り、人間の目にはマゼンタ色に見えるものが多い。最も近い褐色矮星は、2013年に発見された褐色矮星の連星系「WISE 1049-5319」で、約6.5光年の距離にある。
褐色矮星とは何か（補足説明）
簡潔に言えば、褐色矮星は「恒星と惑星の中間に位置する天体」です。中心部で安定した水素核融合を始めるほど重くはないため、寿命を通して恒星のように光り続けることはありません。とはいえ重力収縮や初期の核反応（短期間の重水素（デューテリウム）核融合など）によって温度が高く、赤外線領域で自ら放射を行うため観測可能です。
質量と核融合の境界
- 水素核融合の下限：およそ木星質量（MJ）の75～80倍程度が、恒星が恒常的に水素核融合を維持するための境界とされます。これより軽いものは恒星にはなりません。
- デューテリウム（重水素）融解：約13MJを超えると重水素の核融合が起こり得ます。このため13MJはしばしば「惑星」と「褐色矮星」の一つの区切りとして用いられますが、形成過程を無視した単純な質量基準に過ぎない点に注意が必要です。
- リチウムテスト：約60–65MJを超えると中心温度が高くなり、リチウムを核融合で破壊します。したがってスペクトルにリチウム線が残っていればその物体は質量が低め（褐色矮星の可能性が高い）であることを示唆します。これが観測上の「リチウムテスト」です。
大きさ・密度・温度
褐色矮星の半径はおおむね木星と同程度（約0.8–1.2木星半径）で、質量が増えても縮み方が進むため半径の変化は小さいです（縮退圧の影響）。そのため質量が数十倍になってもサイズはほぼ木星サイズに留まります。温度は生成直後は高く、若い褐色矮星では数千Kに達しますが、時間とともに冷えていき、現在観測されるものでは数百K以下のもの（ヤー型 Y 型）も存在します。
分光と分類（L・T・Y 型など）
褐色矮星は可視光よりも赤外線で明るいため、赤外分光が重要です。スペクトルに現れる特徴で主に以下のように分類されます。
- L型：比較的高温（約1,300–2,000K）。チタン酸化物（TiO）が弱くなり、金属ハイドライドやアルカリ金属線が見られます。赤っぽく見えることが多い。
- T型：中温〜低温（約700–1,300K）。メタン（CH4）の吸収が顕著になる。近赤外で青味を帯びることもある。
- Y型：最も低温（約<700K、さらに数百K）で、アンモニア（NH3）などの特徴が現れる非常に冷たい褐色矮星群。
形成と進化
褐色矮星の形成経路は一様ではなく、主に二つの考え方があります。ひとつは恒星と同じように分子雲の重力崩壊で直接形成される過程、もうひとつは巨大原始惑星系円盤からの断片化や、惑星的形成過程で出来るケースです。どちらの過程でできたかは観測的に区別が難しく、形成過程を基準に「惑星」と「褐色矮星」を分ける議論が続いています。
観測のポイント（探し方・見つけにくさ）
- 褐色矮星は可視光で非常に暗く、主に近赤外〜中赤外で輝きます。したがって赤外線サーベイが有効です。
- 代表的な探査衛星・サーベイには、WISE（中赤外）、2MASS（近赤外）、SDSS、UKIDSSなどがあります。WISE は多くの冷たい褐色矮星を発見しました（例：WISE 1049-5319）。
- スペクトル中のメタン・水・アンモニア吸収やリチウム線の有無が同定・質量推定に重要です。
- 年周視差や固有運動による距離・運動の測定で、近傍の褐色矮星を特定できます。
近傍の例と重要性
近傍にある褐色矮星は、低温天体の物理を研究する上で宝の山です。若くて熱い褐色矮星は大気の化学や雲の形成を調べるのに適し、古くて冷たいものは惑星状大気に近い条件を示します。観測的には連星系や伴星として見つかることも多く、形成史や質量測定の手がかりになります。
まとめ（実用的ポイント）
- 定義：水素核融合を維持できないが、重水素など短期の核反応や重力収縮で光る天体。
- 質量帯：おおむね13MJ（重水素燃焼境界）〜75–80MJ（水素燃焼境界）。ただし境界は組成や年齢で変わる。
- 観測：主に赤外線で探し、スペクトルの特徴（メタン、アンモニア、リチウムなど）で分類・質量推定を行う。
- 役割：惑星科学と恒星形成理論の境界領域を埋める存在であり、低温大気や形成過程を理解する上で重要。
補足：原文にある「マゼンタ色に見える」という表現は、実際には赤外線画像を可視化した際の偽色表現でそう見えることがある、という意味です。可視光で肉眼にとっては非常に暗く赤っぽく見えるかほとんど見えません。
小さい方の天体はグリーゼ229Bで、木星の約20〜50倍の質量があり、グリーゼ229という恒星の周りを回っています。うしかい座にあり、地球から約19光年の距離にあります。
ディスカバリー
褐色矮星と呼ばれるものが話題になったのは1960年代のことである。褐色矮星の別名として、プラネター、サブサーなどが提案された。しかし、それらは何十年もの間、仮説の域を出なかった。
初期の理論では、0.09太陽質量以下の天体は通常の恒星進化を遂げることはないとされていた。しかし、1980年代後半に0.012太陽質量までの重水素燃焼が発見されたり、褐色矮星の冷たい外気でのダスト形成の影響を受けたりして、これらの理論に疑問が投げかけられるようになった。しかし、褐色矮星は可視光をほとんど発していないため、発見するのが難しい天体でした。しかし、褐色矮星は可視光をほとんど発しておらず、赤外線を強く放射しているため、当時の地上の赤外線検出器では褐色矮星を発見することができなかったのである。
長い間、褐色矮星の発見には成功していなかった。しかし、1988年にGD165Bが発見され、低質量の赤色矮星の特徴を全く備えていないことがわかった。GD165Bは、現在「L型矮星」と呼ばれている天体の原型とされている。当時、最も冷たい矮星の発見は大きな意味を持っていたが、観測上、褐色矮星と超低質量矮星の区別は非常に難しいため、GD165Bを褐色矮星に分類するか、単に超低質量矮星に分類するかが議論されていた。
GD165Bが発見された直後、他の褐色矮星候補が報告された。しかし、そのほとんどは、リチウムが存在しないことから恒星であることが判明し、候補としての役割を果たせなかった。真の恒星は1億年あまりでリチウムを燃焼するが、褐色矮星はそうではない。ところが、褐色矮星は、温度も光度も恒星に近いという不思議な天体です。つまり、大気中にリチウムが検出されたということは、その天体が1億年以上前のものであれば褐色矮星であるということになります。
1994/5年には、2つの明確な恒星状天体（テイデ1号とグリーゼ229B）が発見され、褐色矮星の研究に変化が訪れました。
初めて確認された褐色矮星は1994年に発見されました。この天体は「テイデ1」と呼ばれ、プレアデス散開星団の中に発見されました。ネイチャー』誌は、その号の一面で「褐色矮星発見、公式」と取り上げています。若いプレアデス星団の中にあるということで、距離、化学組成、年齢などが確定しました。テイデ1号の質量は木星の55倍で、明らかに恒星質量の限界を下回っています。
その中でも特に注目すべきは、温度も光度も恒星の範囲をはるかに下回る「グリーゼ229B」である。驚くべきことに、その近赤外スペクトルには、これまで巨大惑星や土星の衛星「タイタン」の大気でしか観測されていなかった2マイクロメートルのメタンの吸収帯がはっきりと現れていた。この発見により、グリーゼ229Bを原型とする、L型矮星よりもさらに低温の「T型矮星」と呼ばれるスペクトルクラスが確立された。
木星質量が65以下の褐色矮星は、進化の過程で熱核融合によるリチウムの燃焼ができない。高品質のスペクトルデータから、テイデ1号は、プレアデス星が形成された元の分子雲の初期リチウム量を維持していることがわかった。これにより、テイデ1号のコアでは熱核融合が行われていないことが証明された。
テイデ1号は、しばらくの間、直接観測で確認された太陽系外の最小の天体と考えられていました。それ以来、1800個以上の褐色矮星が確認されています。その中には、太陽から約12光年の距離にある太陽型星と重力的に結合している褐色矮星のペアであるイプシロン・インディBaおよびBbや、約6.5光年の距離にある褐色矮星の連星系であるWISE 1049-5319など、地球に非常に近いものもある。
L-dwarfのイメージ図
T-dwarfのイメージ図
Y-dwarfのイメージ図
問題点
超低質量の褐色矮星と巨大惑星（～13木星質量）との間の隔たりをどのような基準で定義するかについては、数年前から議論されてきた。形成に基づく考え方と、内部物理に基づく考え方があります。
質問と回答
Q:褐色矮星とは何ですか?
A:褐色矮星は、星と同じ物質でできた天体ですが、星を光らせる水素の融合に必要な質量が不足しているため、通常の星ではありません。
Q: なぜ褐色矮星は通常の巨大惑星とみなされないのですか?
A: 褐色矮星は、巨大惑星の特徴である光り方をしないため、通常の巨大惑星とはみなされません。
Q: なぜ褐色矮星は見つけにくいのですか?
A:褐色矮星は、数が多いにもかかわらず、絶対等級が小さいため、見つけるのが難しいのです。
Q: 褐色矮星の質量はどの程度か?
A:褐色矮星の質量は、最も重いガス惑星から最も軽い星までの間で、上限は木星の75〜80倍程度と言われています。
Q: 褐色矮星の質量が13MJを超えるとどうなるのですか?
A: 褐色矮星が重水素を融合させると、13MJ以上の質量になると考えられています。
Q: 褐色矮星の質量が65MJを超えるとどうなるのですか?
A: 65MJ以上の質量を持つ褐色矮星は、リチウムも融解すると考えられています。
Q: ほとんどの褐色矮星は、人間の目にはどんな色に見えるのでしょうか?
A: 「褐色」矮星という名前がついていますが、そのほとんどは人間の目にはマゼンタ色に見えるでしょう。
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