ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の調査によって、期待されていた地球に似た惑星に全く大気がないことが判明

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST)は、他の星を周回する遠方の惑星の検出と大気の研究を行うことができるため、太陽系外惑星愛好家たちは、有名なTRAPPIST-1系にあるいくつかの世界に関するJWSTの最初のデータを期待していた。この星系は、赤色矮星の周りを地球サイズの世界が7つ回っており、そのうちのいくつかはハビタブルゾーンに位置している。

今日、この星系の最も内側にある惑星、TRAPPIST-1 bに関する新しい研究が発表された。この研究の著者は非常に率直に、この世界には全く大気がない可能性が高いと述べている。さらに、私たちが知っているような生命が存在しうる条件は、そこからさらに悪くなるばかりだ。

この星は恒星に非常に近い軌道を回っているため、地球が太陽から受ける光の4倍もの放射線を受ける。日中の温度は500ケルビン（約230℃、450°F）に達し、ピザを焼くのに最適な温度である。

TRAPPIST-1系の惑星は、これまでハッブル宇宙望遠鏡とスピッツァー宇宙望遠鏡ですべて観測されており、今のところ大気の特徴は検出されていない。しかし、それでも天文学者はその可能性を否定することは出来なかった。JWSTの赤外線観測では、二酸化炭素、酸素、メタンなどの「重い」分子を検出できるため、TRAPPIST-1の惑星に大気があるかどうか、あるとすればそれは何でできているかを特定できる可能性がある。

「これらの観測は、ウェッブの中間赤外線能力を本当に活かしています」と、NASAエイムズ研究センターの天体物理学者で、雑誌『Nature』に掲載された研究の主執筆者であるThomas Greene氏は述べている。「これまでの望遠鏡では、このような薄暗い中間赤外線を測定する感度を持つものはありませんでした」

Rocky exoplanet TRAPPIST 1 b secondary eclipse light curve — 最内周の惑星TRAPPIST-1 bが恒星の背後に移動することによって、TRAPPIST-1系の明るさが変化する様子を示す光度曲線。この現象は、二次食として知られている。(Credit: NASA, ESA, CSA, J.Olmsted (STScI), T.P.Greene (NASA Ames), T.Bell (BAERI), E.Ducrot (CEA), P.Lagage (CEA))

一番奥にある惑星TRAPPIST-1 bは、軌道距離が地球の100分の1程度で、ハビタブルゾーンには入っていない。また、地獄のような環境のため、大気が存在することも期待されていない。

そのため、二酸化炭素などによる大気吸収がほとんど検出されなかったことは驚きではない。これは、TRAPPIST-1bが赤色矮星からの放射線をほとんどすべて吸収しており、高圧の大気がないためと思われる。

しかし、それでも大気の痕跡を探すには、もう一つ、惑星の温度を測る方法があった。

Greene氏らは、JWSTの中長波放射を観測できる中間赤外線観測装置（MIRI）を用いて、TRAPPIST-1bの熱放射を評価した。彼らの論文によると、彼らはTRAPPIST-1bが恒星の後ろを通過するときに起こる惑星の二次食を検出し、惑星の昼側の温度を測定することができたと言う。彼らは以下のように説明している：

“惑星が星の横にあるときは、星と惑星の昼側の両方が放つ光が望遠鏡に届き、星系が明るく見える。惑星が恒星の後ろにあるときは、惑星が放つ光が遮られ、星の光だけが望遠鏡に届くので、見かけの明るさは低下する。天文学者は、恒星と惑星の明るさの合計から恒星の明るさを引くことで、惑星の昼側からの赤外線の量を計算することができます。そして、この光から昼側の温度を計算することができるのです。”

Rocky exoplanet TRAPPIST 1 b temperature comparison — Webbの中間赤外線観測装置（MIRI）で測定されたTRAPPIST-1bの昼間サイド温度と、様々な条件下での温度を示すコンピュータモデルの比較。 (Credit: NASA、ESA、CSA、J.Olmsted (STScI), T.P.Greene (NASA Ames), T.Bell (BAERI), E.Ducrot (CEA), P.Lagage (CEA))

このような観測は、それ自体が大きなマイルストーンであったと、研究チームは述べている。星が惑星の1,000倍以上明るいため、明るさの変化は0.1％未満だ。

「日食を見逃すのではないかという不安もありました。惑星はすべて互いに引っ張り合うので、軌道は完全ではありません」と、データを分析したベイエリア環境研究所のポスドク研究員、Taylor Bell氏はプレスリリースで述べている。「しかし、とにかくすごかった。データで見た日食の時刻は、数分以内に予測された時刻と一致したのです」

研究チームは、TRAPPIST-1bの熱の再分配についてもっと知りたいので、もっと観測を行いたいと述べている。さらに、この観測は、他のTRAPPIST-1惑星の観測や、他の赤色矮星惑星の特性、太陽系内の惑星との違いなど、今後の観測の参考となる。

JWSTのデータは、次の世界のシステムで、1つずつ取得することになりそうだ。

論文

Nature: Thermal Emission from the Earth-sized Exoplanet TRAPPIST-1 b using JWST

参考文献

ESA: Webb measures the temperature of a rocky exoplanet

研究の要旨

TRAPPIST-1系は、私たちの太陽系にある岩石質惑星である金星、地球、火星と大きさ、質量、密度、恒星加熱が似ている7つの惑星を持つことで注目されている。すべてのTRAPPIST-1惑星は、ハッブル宇宙望遠鏡やスピッツァー宇宙望遠鏡を用いた透過型分光法で観測されているが、大気の特徴は検出されておらず、強く制約されていない。TRAPPIST-1 bは、この星系のM矮星に最も近い惑星で、地球が太陽から受ける光の4倍もの放射線を浴びている。この比較的大きな恒星加熱は、その熱放射が測定可能であることを示唆している。ここでは、JWSTのMIRI装置のF1500Wフィルターを用いた、地球サイズのTRAPPIST-1 b系太陽系外惑星の測光二次食の観測を紹介する。5つの観測で二次食を検出し、全データを統合すると8.7シグマの信頼度で検出された。これらの測定結果は、TRAPPIST-1星の入射光束が惑星の昼側の半球のみから再放射されていることと最も一致する。このことから、惑星大気は恒星からの放射を再分配しておらず、二酸化炭素や他の物質による大気吸収も検出されないと考えられる。

この記事は、NANCY ATKINSON氏によって執筆され、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。