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ハビタブルゾーンに深い海を持つ水の惑星を発見

太陽系外惑星を探すとき、天文学者や宇宙生物学者は、一般的に 「水を探す」という方針をとっている。これは、恒星のハビタブルゾーン(HZ)の周りを回る惑星を探すというもので、HZは表面に液体の水が流れるのに十分なほど暖かい条件になっている。水は生命を維持できる唯一の溶媒であり、地球上のすべての生物に必要だからだ。しかし、1970年代以降、科学者たちは、宇宙には完全に水で覆われた岩石質の惑星が存在するのではないかと考えてきた。

太陽系外惑星の爆発的な発見数増加に伴い、科学者たちはこの種の惑星の例を見つけることを熱望し、より詳細な研究を行っている。モントリオール大学の太陽系外惑星研究所(iREx)が率いる国際研究チームは、最近、恒星系内のHZを周回する太陽系外惑星を発見した。この「海の世界」(別名「ウォーターワールド」)は、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST)による追加観測が行われることで、居住可能性の詳細を明らかにすることができるかもしれない。

この国際チームを率いたのは、モントリオール大学の博士課程に在籍し、iRExのメンバーでもあるCharles Cadieux氏だ。カナダ、フランス、アメリカ、日本、ブラジル、ハンガリー、スペイン、スイス、ポルトガル、ドイツ、ロシアから集まった55名の天文学者、天体物理学者のチームと共に研究が行われた。このチームは、ハーバード&スミソニアン天体物理学センター、カナダ・フランス・ハワイ観測所、マックス・プランク天文学研究所、NASAエイムズ研究センター、NASA系外惑星科学研究所(NExScI)など、多くの大学や研究機関の代表者たちだ。

この系外惑星(TOI-1452 b)は、地球から約100光年離れたドラコ座にある連星系を周回していることが、8月12日付のThe Astrophysical Journal誌に発表された論文で明らかになった。この連星系は2つのM型星(赤色矮星)からなり、その距離は97天文単位(太陽と冥王星の距離の約2.5倍)と非常に接近している。これらの星を周回する太陽系外惑星の可能性は、もともとトランジット系外惑星探索衛星TESS(Transiting Exoplanet Survey Satellite)が取得したデータから推測されたものだ。

TESSのデータから、太陽系外惑星の明るさが11日ごとにわずかに減少していることに着目し、その直径が地球の約70%であると推定された。そこで Cadieux 教授らは、モントリオール大学付属の OMM 望遠鏡の 1.6m 望遠鏡に搭載された PESTO (Planètes Extrasolaires en Transition et en Occultation) カメラを用いて追跡観測 (iREx が日常的に行っている機能) を実施した。

TOI-1452の2つの星は、明るさが低く、近接しているため、TESSの観測では1つの光点にしか見えなかった。しかし、PESTOの解像度は高く、2つの天体を見分けることができ、その画像からTOI-1452の周りを太陽系外惑星が回っていることが確認されたのだ。その後の観測は、国立天文台のチームがハワイ・マウナケアにある口径8.2mの光学赤外線すばる望遠鏡を用いて行った。共同研究者であるモントリオール大学教授で、iREx と OMM のディレクターを務める René Doyon 氏は、IREX のプレスリリースで次のように説明している。

「この発見は、私たちの研究者と観測装置の高い能力を示すものであり、非常に誇りに思います。OMM、SPIRouという私たちの研究室で設計された特別な装置、そして私たちの研究チームが開発した革新的な分析方法のおかげで、この唯一無二の太陽系外惑星を発見することができたのです。」

「OMMは、この信号の性質を確認し、惑星の半径を推定するのに重要な役割を果たしました。これは日常的な確認作業ではありません。TESS が検出した信号が、連星系で最も大きな星である TOI-1452 の周りを回る太陽系外惑星によるものであることを確認する必要があったのです。」とCadieux氏は付け加えている。

太陽系外惑星の存在を確認し、その大きさを推定した後、研究チームはカナダ・フランス・ハワイ観測所に設置された近赤外線分光偏光計 SPIRou (un SpectroPolarimètre Infra-Rouge) に目を向けた。SPIRou は主にカナダで設計され、TOI-1452 の連星のような質量の小さな星は、赤外線で最も明るく輝くため、連星の研究に最適な装置だ。それでも、この惑星の質量(地球の約5倍)を推定するのに50時間以上の観測時間を要した。

次の大きな課題はデータ解析で、エティエンヌ・アルティガウとニール・クック研究員(iREx所属)が開発したラインバイライン(LBL)解析法を用いて行われた。これにより、SPIRouのデータから太陽系外惑星が発する微弱な信号を特定することができた。最後に、モントリオール大学の博士課程学生であるFarbod Jahandar氏とThomas Vandal氏は、SPIRouのデータを解析し、惑星の内部構造を特定するのに有効な主星の組成について詳しく調べた。その結果、TOI 1452 b は岩石質の惑星である可能性が高いことがわかった。

しかし、これらの推定値から、TOI 1452 b は木星や土星の最大の衛星や太陽系外縁部の他の氷天体と同様に、厚い水の層で覆われている可能性があると結論づけられた。このことは、トロント大学の Mykhaylo Plotnykov氏 と Diana Valencia氏 が行った内部モデリングによって裏付けられており、TOI 1452 b の質量の30 %もが、水で占めている可能性を示唆している。これは、木星の衛星 エウロパガニメデカリストや、土星の衛星 タイタンディオネエンケラドゥス などにも類似していると言える。

近年、地球と海王星の間の半径と質量を持ちながら、密度が著しく低い類似した太陽系外惑星が何百個も検出されている。このことは、これらの太陽系外惑星の質量の大部分が水のような揮発性物質で構成されていることを示唆しており、”海洋惑星“というニックネームがつけられている。Cadieux氏が説明したように、今回の発見は、そのような惑星が初めて発見された可能性がある。

「TOI-1452 b は、これまでに発見された海洋惑星の中で、最も優れた候補の一つです。その半径と質量は、地球のような基本的に金属と岩石でできている惑星に期待される密度よりもずっと低いことを示唆しています。」とCadieux氏は説明する。

TOI-1452 b が主星の HZ 内を公転していることを考えると、表面が氷で覆われている可能性は低く、深さ数キロの海が存在する可能性がある。このように、TOI-1452 b は海洋惑星としての特徴を持つ数少ない温帯惑星として、JWST による観測の対象として最適な天体なのだ。また、地球に近いということは、JWSTが得意とする大気の特徴を調べるのにも適しており、WASP-59から2度にわたって得られたスペクトル(水と二酸化炭素の存在を確認)でも示されている。

さらに素晴らしいことに、TOI-1452 はJWSTが一年中観測できる天球上の領域にあり、追尾観測に最適な位置づけにあるのだ。「Webb 望遠鏡による観測は、TOI-1452 b をよりよく理解するために不可欠です」と、カナダ宇宙機関の JWST への貢献である近赤外線撮像分光装置 (NIRISS) およびスリットレス分光器

(NIRISS) の主任研究員でもある Doyon 氏は述べている。「できるだけ早く、この奇妙で素晴らしい世界を観測するために、Webbで時間を予約するつもりです」

この記事は、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。

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masapoco

TEXAL管理人。中学生の時にWindows95を使っていたくらいの年齢。大学では物理を専攻していたこともあり、物理・宇宙関係の話題が得意だが、テクノロジー関係の話題も大好き。最近は半導体関連に特に興味あり。アニメ・ゲーム・文学も好き。最近の推しは、アニメ『サマータイムレンダ』

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