TED日本語 - ガリク・イスラエリアン: 星の中には何がある?


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What's inside a star?


Garik Israelian






I have a very difficult task. I'm a spectroscopist. I have to talk about astronomy without showing you any single image of nebulae or galaxies, etc. because my job is spectroscopy. I never deal with images. But I'll try to convince you that spectroscopy is actually something which can change this world. Spectroscopy can probably answer the question, "Is there anybody out there?" Are we alone? SETI. It's not very fun to do spectroscopy.

One of my colleagues in Bulgaria, Nevena Markova, spent about 20 years studying these profiles. And she published 42 articles just dedicated to the subject. Can you imagine? Day and night, thinking, observing, the same star for 20 years is incredible. But we are crazy. We do these things. (Laughter)

And I'm not that far. I spent about eight months working on these profiles. Because I've noticed a very small symmetry in the profile of one of the planet host stars. And I thought, well maybe there is Lithium-6 in this star, which is an indication that this star has swallowed a planet. Because apparently you can't have this fragile isotope of Lithium-6 in the atmospheres of sun-like stars. But you have it in planets and asteroids. So if you engulf planet or large number of asteroids, you will have this Lithium-6 isotope in the spectrum of the star. So I invested more than eight months just studying the profile of this star.

And actually it's amazing, because I got phone calls from many reporters asking, "Have you actually seen the planet going into a star?" Because they thought that if you are having a telescope, you are an astronomer so what you are doing is actually looking in a telescope. And you might have seen the planet going into a star. And I was saying, "No, excuse me. What I see is this one." (Laughter) It's just incredible. Because nobody understood really. I bet that there were very few people who really understood what I'm talking about. Because this is the indication that the planet went into the star. It's amazing.

The power of spectroscopy was actually realized by Pink Floyd already in 1973. (Laughter) Because they actually said that you can get any color you like in a spectrum. And all you need is time and money to make your spectrograph. This is the number one high resolution, most precise spectrograph on this planet, called HARPS, which is actually used to detect extrasolar planets and sound waves in the atmospheres of stars.

How we get spectra? I'm sure most of you know from school physics that it's basically splitting a white light into colors. And if you have a liquid hot mass, it will produce something which we call a continuous spectrum. A hot gas is producing emission lines only, no continuum. And if you place a cool gas in front of a hot source, you will see certain patterns which we call absorption lines. Which is used actually to identify chemical elements in a cool matter, which is absorbing exactly at those frequencies.

Now, what we can do with the spectra? We can actually study line-of-sight velocities of cosmic objects. And we can also study chemical composition and physical parameters of stars, galaxies, nebulae. A star is the most simple object. In the core, we have thermonuclear reactions going on, creating chemical elements. And we have a cool atmosphere. It's cool for me. Cool in my terms is three or four or five thousand degrees. My colleagues in infra-red astronomy call minus 200 Kelvin is cool for them. But you know, everything is relative. So for me 5,000 degrees is pretty cool. (Laughter)

This is the spectrum of the Sun -- 24,000 spectral lines, and about 15 percent of these lines is not yet identified. It is amazing. So we are in the 21st century, and we still can not properly understand the spectrum of the sun. Sometimes we have to deal with just one tiny, weak spectral line to measure the composition of that chemical element in the atmosphere. For instance, you see the spectral line of the gold is the only spectral line in the spectrum of the Sun. And we use this weak feature to measure the composition of gold in the atmosphere of the Sun.

And now this is a work in progress. We have been dealing with a similarly very weak feature, which belongs to osmium. It's a heavy element produced in thermonuclear explosions of supernovae. It's the only place where you can produce, actually, osmium. Just comparing the composition of osmium in one of the planet host stars, we want to understand why there is so much of this element. Perhaps we even think that maybe supernova explosions trigger formations of planets and stars. It can be an indication.

The other day, my colleague from Berkeley, Gibor Basri, emailed me a very interesting spectrum, asking me, "Can you have a look at this?" And I couldn't sleep, next two weeks, when I saw the huge amount of oxygen and other elements in the spectrum of the stars. I knew that there is nothing like that observed in the galaxy. It was incredible. The only conclusion we could make from this is clear evidence that there was a supernova explosion in this system, which polluted the atmosphere of this star. And later a black hole was formed in a binary system, which is still there with a mass of about five solar masses. This was considered as first evidence that actually black holes come from supernovae explosions.

My colleagues, comparing composition of chemical elements in different galactic stars, actually discovered alien stars in our galaxy. It's amazing that you can go so far simply studying the chemical composition of stars. They actually said that one of the stars you see in the spectra is an alien. It comes from a different galaxy. There is interaction of galaxies. We know this. And sometimes they just capture stars.

You've heard about solar flares. We were very surprised to discover a super flare, a flare which is thousands of millions of times more powerful than those we see in the Sun. In one of the binary stars in our galaxy called FH Leo, we discovered the super flare. And later we went to study the spectral stars to see is there anything strange with these objects. And we found that everything is normal. These stars are normal like the Sun. Age, everything was normal. So this is a mystery. It's one of the mysteries we still have, super flares. And there are six or seven similar cases reported in the literature.

Now to go ahead with this, we really need to understand chemical evolution of the universe. It's very complicated. I don't really want you to try to understand what is here. (Laughter) But it's to show you how complicated is the whole story of the production of chemical elements. You have two channels -- the massive stars and low-mass stars -- producing and recycling matter and chemical elements in the universe. And doing this for 14 billion years, we end up with this picture, which is a very important graph, showing relative abundances of chemical elements in sun-like stars and in the interstellar medium.

So which means that it's really impossible to find an object where you find about 10 times more sulfur than silicon,five times more calcium than oxygen. It's just impossible. And if you find one, I will say that this is something related to SETI, because naturally you can't do it. Doppler Effect is something very important from fundamental physics. And this is related to the change of the frequency of a moving source. The Doppler Effect is used to discover extrasolar planets.

The precision which we need to discover a Jupiter-like planet around a sun-like star is something like 28.4 meters per second. And we need nine centimeters per second to detect an Earth-like planet. This can be done with the future spectrographs. I, myself, I'm actually involved in the team which is developing a CODEX, high resolution, future generation spectrograph for the 42 meter E-ELT telescope. And this is going to be an instrument to detect Earth-like planets around sun-like stars. It is an amazing tool called astroseismology where we can detect sound waves in the atmospheres of stars.

This is the sound of an Alpha Cen. We can detect sound waves in the atmospheres of sun-like stars. Those waves have frequencies in infrasound domain, the sound actually nobody knows, domain. Coming back to the most important question, "Is there anybody out there?" This is closely related to tectonic and volcanic activity of planets. Connection between life and radioactive nuclei is straightforward. No life without tectonic activity, without volcanic activity. And we know very well that geothermal energy is mostly produced by decay of uranium, thorium, and potassium.

How to measure, if we have planets where the amount of those elements is small, so those planets are tectonically dead, there can not be life. If there is too much uranium or potassium or thorium, probably, again, there would be no life. Because can you imagine everything boiling? It's too much energy on a planet. Now, we have been measuring abundance of thorium in one of the stars with extrasolar planets. It's exactly the same game. A very tiny feature.

We are actually trying to measure this profile and to detect thorium. It's very tough. It's very tough. And you have to, first you have to convince yourself. Then you have to convince your colleagues. And then you have to convince the whole world that you have actually detected something like this in the atmosphere of an extrasolar planet host star somewhere in 100 parsec away from here. It's really difficult. But if you want to know about a life on extrasolar planets, you have to do this job. Because you have to know how much of radioactive element you have in those systems.

The one way to discover about aliens is to tune your radio telescope and listen to the signals. If you receive something interesting, well that's what SETI does actually, what SETI has been doing for many years. I think the most promising way is to go for biomarkers. You can see the spectrum of the Earth, this Earthshine spectrum, and that is a very clear signal. The slope which is coming, which we call a Red Edge, is a detection of vegetated area. It's amazing that we can detect vegetation from a spectrum. Now imagine doing this test for other planets.

Now very recently, very recently, I'm talking about last six,seven,eight months, water, methane, carbon dioxide have been detected in the spectrum of a planet outside the solar system. It's amazing. So this is the power of spectroscopy. You can actually go and detect and study a chemical composition of planets far, far, far from solar system. We have to detect oxygen or ozone to make sure that we have all necessary conditions to have life.

Cosmic miracles are something which can be related to SETI. Now imagine an object, amazing object, or something which we can not explain when we just stand up and say, "Look, we give up. Physics doesn't work." So it's something which you can always refer to SETI and say, "Well, somebody must be doing this, somehow."

And with the known physics etc, it's something actually which has been pointed out by Frank Drake, many years ago, and Shklovsky. If you see, in the spectrum of a planet host star, if you see strange chemical elements, it can be a signal from a civilization which is there and they want to signal about it. They want to actually signal their presence through these spectral lines, in the spectrum of a star, in different ways.

There can be different ways doing this. One is, for instance, technetium is a radioactive element with a decay time of 4.2 million years. If you suddenly observe technetium in a sun-like star, you can be sure that somebody has put this element in the atmosphere, because in a natural way it is impossible to do this. Now we are reviewing the spectra of about 300 stars with extrasolar planets. And we are doing this job since 2000 and it's a very heavy project. We have been working very hard. And we have some interesting cases, candidates, so on, things which we can't really explain. And I hope in the near future we can confirm this.

So the main question: "Are we alone?" I think it will not come from UFOs. It will not come from radio signals. I think it will come from a spectrum like this. It is the spectrum of a planet like Earth, showing a presence of nitrogen dioxide, as a clear signal of life, and oxygen and ozone. If,one day, and I think it will be within 15 years from now, or 20 years. If we discover a spectrum like this we can be sure that there is life on that planet. In about five years we will discover planets like Earth, around sun-like stars, the same distance as the Earth from the Sun. It will take about five years. And then we will need another 10,15 years with space projects to get the spectra of Earth-like planets like the one I showed you. And if we see the nitrogen dioxide and oxygen, I think we have the perfect E.T. Thank you very much. (Applause)

私は非常に困難な課題を抱えています 私は分光学者です 星雲や銀河といった写真を一つも見せずに 天文学について語らなくてはなりません 私の仕事が分光学だからです 私は写真を扱ったことがありません しかし私は、分光学が 世界を変えうるものだと、あなた方を 納得させてみましょう 分光学はおそらく次の質問に答えられます: 「誰かそこにいるの?」に 私たちだけなの? SETI(地球外文明探索計画)ですね 分光学の研究はそんなに面白くはありません

ブルガリアにいる私の同業者の一人、 ナヴィアナ・マルコヴァは、20年かけて この曲線を研究しています この主題に関する論文を 42本も発表しています 想像できますか? 毎日毎晩、20年間、 同じ星を観察し、考える 信じられない しかし我々はイカれていて、それをやっているのです (笑)

私はそんなに極端ではありませんが この曲線に取りかかって8ヶ月が経ちます なぜなら、私は この惑星の主星のスペクトルに ごくわずかな非対称性を認めたからです そして考える ふむ この恒星にはリチウム6が存在し、 それはこの恒星が惑星を飲み込んだ 証拠かもしれない、と なぜなら、リチウム6のような壊れやすい同位元素は 太陽型の恒星の大気には存在し得ないからです しかし惑星や小惑星になら存在する だからもしその恒星が、惑星か、大量の小惑星を飲み込めば 大気にリチウム6の同位元素が 見つかるかもしれない だから私は、8ヶ月以上も この星のリチウムの輝線を研究しているのです

実際それはすごいことで、 その証拠にあちこちの記者から電話を受けています: 「惑星が恒星に飲み込まれるのを見たのか?」と なぜなら、望遠鏡を持っていればあなたは天文学者で、 つまり天文学者ならば 望遠鏡を眺めているだろう、ということです そして惑星が恒星に飲み込まれるのを見たかもしれない、と だから私は言います:「申し訳ないですが 私が見ているのはこれです」って (笑) 信じられないよ 誰もわかってないんだから きっと私が言っていることが わかっている人はほとんどいなかったんでしょう だってこれこそ、惑星が恒星に飲み込まれている証拠なのだから 驚くべきことです

実際のところ、分光器の威力について 1973年にすでに気づいていたのは (ロックバンドの)ピンクフロイドでした (笑) 彼らは、スペクトルの中から お望みのどんな色でも取り出せると 言っています 必要なのは自分の分光器を作る お金と時間だけだ、と これが、地球上で最も高解像度で 最も正確な分光器で、HARPSと呼ばれ、 太陽系外の惑星や、恒星の大気の 音波を発見するために 使われています

どうやってスペクトルを得るのでしょう? 皆さんは学校の勉強で、基本的には 白色光を分解してたくさんの色にするのだと 習ったでしょう そして、もし溶けるほど熱い物体があれば それは連続スペクトルと呼ばれるものを発生しています 熱いガスは輝線だけを放射し、 連続スペクトルは発しません もし熱い物体の前に、冷たいガスを 置くと、 吸収線と呼ばれるものが 得られます それを使って 冷たい物体の化学元素を特定することができます 冷たいガスが、まさに その周波数の光を吸収しています

さて、スペクトル線でなにができるでしょう 宇宙の物体の視線速度を調べることが できます そして恒星や銀河や星雲の 化学組成と物理定数も 知ることができます 恒星は一番簡単な物体です その中心核では熱核融合が起きていて いろいろな化学元素を生み出しています そして冷たい大気がある 私に言わせれば「冷たい」のです つまり3000度から5000度程度です 同僚の赤外線天文学者は マイナス200度くらいなら冷たいといいます すべからく相対的なわけです 私には5000度はとても冷たい (笑)

これは太陽のスペクトルです 2万4千のスペクトル線があり そのうち15パーセントはまだ同定されていません 驚きです 21世紀なんですよ今は なのにまだ太陽のスペクトルでさえ ちゃんとわかっていないのです 時には、非常に小さな、 弱いスペクトル線を使って 大気中の化学元素の組成を調べる場合もあります 例えばここに見える金の吸収線は 太陽のスペクトル中、唯一の吸収線です この弱い線を使って 太陽の大気の 金の組成を調べるのです

これはまだ作業途中です 私たちはまた、同様に弱い特徴である オスミウムも調べています これは超新星の熱核爆発で生まれる 重い元素です オスミウムはそこでしか生成されません 惑星を有する恒星のオスミウムの 割合を比較することで なぜそこに大量にこの元素があるのかを 理解しようとしています ひょっとしたら超新星爆発自体が 恒星や惑星の形成の引き金だ ということかも知れないのです

この間、バークレーの私の同業者 ギボールバスリが、非常に興味深い スペクトルをメールしてきて 言いました:「ちょっとこれ見てくれる?」 それから2週間、私は眠れませんでした その恒星のスペクトルに、莫大な量の 酸素その他の物質を見たからです 銀河系にこんなものは見たことがありません 信じられませんでした この事象の唯一可能な結論は その星系で超新星爆発が起こり、 この恒星の大気を汚染した証拠だと いうことです 爆発の後に、連星系に ブラックホールが形成され 太陽の約5倍の質量があることが わかっています これは、ブラックホールが超新星爆発からできるという 最初の証拠と考えられました

同僚は、様々な銀河の恒星の化学組成を 比較していて 私たちの銀河に外来の恒星を発見しました 恒星の化学組成を調べるだけで ここまでわかるのはすごいことです スペクトルの中にある星の一つが 別の銀河から来たのだ、というのです 銀河同士が干渉し合うことがあることがわかっています そのときに相手の星を捕まえてしまうのです

太陽フレアは耳にしたことがあるでしょう 私たちは「スーパーフレア」を発見して 驚きました それは太陽で見るものより 何百億倍も強力です 私たちの銀河にある連星系 FH Leoで それが見つかりました 後に、私たちはスペクトル線を調べ その物体になにか変わったことはないか見てみました すべて正常でした まるで太陽と同じ 年齢も、その他全部正常でした ですからこれはミステリーです 未だにミステリーのままです スーパーフレアは 同様の事例が、文献には 6、7件報告されています

さて、こちらに移りましょう 私たちは宇宙の化学的進化を理解したいと思っています それはとても複雑で、それをこの場で皆さんに 理解してもらおうとは思っていません (笑) むしろ、化学元素を作り出す方法の全体がいかに複雑かを お見せしたいのです 二つの経路があります 巨星と矮星で 宇宙の物質や化学元素を生産し、またリサイクルしています それを140億年続けると、結果として この図のようになります これは大変重要なグラフで 太陽型の恒星と星間物質の 化学元素の組成の 割合を示しています

つまり、硫黄がシリコンの10倍、また カルシウムが酸素の5倍ある天体を見つけるのは ものすごく困難だということです 本当に難しい そしてもし見つかったとしたら それはSETIと関係があるということなのです 自然の作用ではできないのですから ドップラー効果は、基礎的な物理学からみると とても重要です それは移動している物体の 周波数が変わるということです ドップラー効果は太陽系外の惑星の発見に利用されまています

太陽型の恒星の周りで 木星型の惑星を見つけるために 必要な精度は 毎秒28.4メートル程度です 地球型の惑星を見つけるには 毎秒9センチメートルほどが必要です これらは未来の分光器で可能になるでしょう 私自身も42メートルの E-ELT望遠鏡のための、CODEXという 高解像度の次世代分光器の開発に 携わっています そしてそれが、太陽型恒星の周りに 地球型惑星を発見するための 道具となります それは天文地震学という驚くべき道具で 恒星の大気の中の 音波を検出できます

これがアルファケンタウリの音です 太陽型恒星の大気の 音波を検出できるのです それは、まだ誰も知らない 可聴域以下の領域の周波数を持っています 最も重要な質問に戻ります: 「誰かそこにいるのか?」 それは、惑星の地殻変動や 火山活動の程度に関係しています 生命と 放射性核の関係は 直接的です 地質学的および火山学的活動性なしには 生命はあり得ません 地熱エネルギーの殆どが ウラン、トリウム、カリウムなどの崩壊によることがわかっています

ならばどう評価するか? もしある惑星で これらの元素が少ければ、 その惑星は地質学的には「死んだ」状態で、 そこに生命はいない 一方、もしウラニウム、カリウム、トリウムなどが多すぎる場合も 生命は存在しないでしょう なぜならあらゆるものが沸騰しているところが想像できますか? 惑星にエネルギーが過剰なのです さて、私たちは太陽系外の惑星を有する恒星の一つで トリウムの量を測定しました ゲームのルールは同じです ごくわずかな特徴しかない

このような曲線を測定し、トリウムを 検出しようとしています 非常に困難です 難しい まず自分自身を納得させなくてはいけない それから同業者を説得し そののちに、全世界へ向かって 100パーセク離れたどこかの惑星を有する恒星の 大気にこういうものを発見した、と 納得させなくてはならないのです 非常に難しいです しかしもし太陽系外の惑星での生命について知りたければ これをやる必要があるのです なぜなら、そこの系にどれだけの量の放射性物質があるかを 知る必要があるからです

異星人について発見する一つの方法は 電波望遠鏡を使って信号に聞き耳を立てることです 何か興味深いものが見つかるか、と それがまあSETIがやっていることで 長年それをやっています 一番将来性がありそうなのは バイオマーカーを探す事です これは地球のスペクトルです 地球光のスペクトル 非常に明瞭なシグナルです この傾いているところをレッドエッジと呼びますが、 植生のある部分を示しています 光学スペクトルから植物繁茂がわかるのだから 驚きますよね それを他の惑星に対して あてはめたと想像してください

最近、非常にごく最近、 ここ最近の6?8ヶ月間で、 水、メタン、二酸化炭素が 太陽系外の惑星のスペクトルから 見つかりました 驚くべき事です これが分光学の威力です 太陽系から、遥かに遠く離れた 惑星の化学組成を発見し、研究する事が できるのです 生命存在の必要条件がそこにあるかを確かめるには 酸素かオゾンを検出する必要が あります

宇宙の奇跡は SETI に関係づけることができます 何か驚くべき天体や 説明不能な現象があって お手あげ状態で「だめだ 物理学では 説明できない」となったとします つまりSETIに言及し「ふむ 誰かが何かやってるに 違いない」というような事です

既知の物理法則を使ってです フランクドレイクが指摘し、 何年も前にシュクロフスキーが述べたような 事です もしも、惑星を有する恒星のスペクトルに 奇妙な化学元素を発見したら それは文明の痕跡かもしれず 彼らも信号を発したがっているかもしれません 彼らは、実際この恒星のスペクトル線で 彼ら自身の存在を 発信したがっているのです

他の方法を使うかもしれない 一例はテクネシウムで 崩壊時間が420万年の 放射性元素です もしも太陽型恒星に、突然 テクネシウムが見つかったら 間違いなく誰かがそれを 大気に放出したのです なぜなら、自然界ではそれは起こり得ないからです 我々は太陽系外惑星を持つ、約300個の恒星の スペクトルを見直しています 2000年からこのプロジェクトを行っていますが 非常に大きなプロジェクトです 一生懸命研究しています その中で、まだ説明できない 面白いケースや候補が見つかっています そして近い将来、それらを 確認できると期待しています

そこで元の問題:「我々は一人ぼっちなのか?」 その答えはUFOからは得られないでしょう 電波信号からも得られないでしょう こういうスペクトル線から答えが出るのです それは地球型惑星のスペクトルで 明らかな生命の印としての 窒素酸化物、酸素、オゾンの 存在を示すものです もしも、15年か20年後の ある日 こんなスペクトルが見つかれば その星には生命が存在すると確信できるのです 5年以内に、私達は 太陽からの距離が地球と同じくらいの 太陽型恒星を巡る惑星を発見するでしょう 5年くらいかかります その後さらに10年か15年くらいかけて 宇宙プロジェクトで 先ほどお見せしたような地球型惑星のスペクトルが得られるでしょう そしてもし、窒素酸化物と 酸素が見つかれば 我々は完璧なE.T.を手に入れたわけです どうもありがとう (拍手)

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