100光年先に「完璧な軌道」を描く星系を発見

masapoco
投稿日 2023年11月30日 6:13
Orbital geometry of HD110067

シカゴ大学のRafael Luque氏とその同僚らは、地球からわずか100光年の距離に位置する珍しい星系を発見した。この星系では、6つの惑星がその恒星の非常に近くに集まっており、その軌道はすべて、水星と太陽の間の距離に収まるほど密集しているのである。そして驚くべきことに、この星系の構成は10億年以上前に誕生して以来、大きな変化が起こっていないようだのだ。

「この発見は、太陽系外で最も一般的なタイプの惑星であるサブネプチューンの形成、進化、構成物質、そしてその表面に液体の水が存在するための適切な条件を持っているかどうかを研究するためのベンチマークシステムになるでしょう」とLuque氏は語った。

100光年という距離は遠く感じられるかもしれないが、宇宙スケールで見れば非常に近い。この星系は、HD 110067と名付けられ、北天の乙女座の近く、髪の毛座の星座に位置している。6つの惑星は、比較的明るくオレンジ色の恒星に非常に近いため、どの惑星も生命を支えるのに適した条件を持つ恒星の周囲の居住可能ゾーンには存在しない。これらの惑星は非常に速く公転しており、その「年」は9日から55日の範囲である。

これらの惑星は、2020年にNASAのトランジット系外惑星探査衛星(TESS)によって初めて検出された。天文学者たちは早い段階で、少なくとも2つのいわゆる「サブネプチューン」、つまり地球の約2〜3倍の大きさで、どうやらふくよかな大気に覆われた惑星が存在することに気づいていた。TESSによる検出後まもなく、北天は地平線の下に消えるため、チームは地上望遠鏡を使って発見を確認するために1か月ほどしか時間がなかったと、Luque氏は述べた。

その後、TESSが2年後に同じ空の領域を再訪した際の新しいデータと、ESAのCHaracterising ExOPlanet Satellite(CHEOPS)でのフォローアップ観測で発見された第3の惑星が発見された。

残りの3つの外側の惑星は、TESSのデータにおける星の光の未確認の減少に起因するものとされている。これは、軌道上の惑星によって引き起こされることが知られている。すべての3つの確認された惑星の軌道は、科学者が共鳴と呼ぶものにほぼ完全に存在している。つまり、最初の惑星は2番目の惑星の3つの軌道ごとに3回公転する。次の2つの惑星間でも同じダイナミクスが展開される。4番目の惑星は、5番目の惑星の3つの軌道ごとに4回公転し、その惑星は最も外側の惑星の3つの軌道ごとに星の周りを4回公転すると計算されている。

このように、全体のシステムがこのように整列していることを知って、Luque氏とその同僚らは、HD 110067の周りの他の惑星の軌道がどれくらいの長さであるべきかを予測することができた。最終的に、彼らは「非常に正確なワルツ」として説明される6つの惑星を発見した。このシステムの繊細な軌道の時計仕掛けは、過去20億から40億年間、完璧な同期で刻み続けている。

地球の約2倍からほぼ3倍の大きさの範囲にあるこれらの6つの惑星は、主に岩石質であればスーパーアース、主にガスや液体であればサブネプチューンに分類される。Luque氏らは、これまでに3つの惑星の質量を測定しており、各惑星の重力が恒星を少し揺らすことによって、その質量を測定している。これらの測定に基づいて、惑星は海王星よりも密度が高いが、地球よりも密度が低い。言い換えれば、それらはおそらく岩石、氷、または金属の小さな核の周りに主にガスで構成されているが、どこかに液体が存在する可能性もある。

これまでのところ、これがサブネプチューンについて一般的に知られていることのほぼすべてである。このタイプの惑星は宇宙で非常に一般的であるが、我々の太陽系はそれを持っていない。HD 110067は、NASAのジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST)の助けを借りて、これらについてもっと学ぶのに最適な場所かもしれない。

共鳴は繊細な配置であり、一度壊れると修復できない。天文学者が知っているほぼすべての恒星系では、惑星は一連の災害によって元の共鳴から外れている。巨大な木星サイズの惑星が形成され、システム全体の重力を狂わせる、または通過する星の重力がすべてを混乱させたり、巨大な衝突が惑星を軌道から外す。これが、私たちの太陽系のように、ほとんどの軌道がわずかに異なる平面に傾いている非共鳴軌道になる方法である。私たちの太陽系のように、ほとんどの星系は何らかの経験をしているのだ。

しかし、HD 110067はそうした経験がほとんどないようだ。言うなればまだ新品の状態である。これは、天文学者が惑星がどのように、そしてどこで、それらの恒星に対して相互に関連して形成されるかを研究するために使用できる生きた化石であることを意味する。特に謎めいたサブネプチューンについての新たな洞察を与える可能性があるのだ。

今後Luque氏らはJWSTによって今後より詳細な調査が行われる事を望んでいる。これらの6つの惑星すべてが比較的明るい恒星(HD 110067は私たちの太陽よりわずかに暗い)の前を通過し、厚くふくらんだ大気を持っているため、JWSTの機器は、各惑星の大気を通過する恒星光の波長を測定し、どの波長が吸収されるかを測定するのに最適である。それによって、各惑星のガス状の外層を構成する化学化合物が明らかになる。

Luque氏とその同僚たちが正しい場合、将来のJWSTデータは、サブネプチューンが何でできているのかを本当に理解する最初の機会になるだろう。


論文

参考文献

研究の要旨

地球とネプチューンの半径の間にある惑星(以下「サブネプチューン」と呼ぶ)は、太陽に似た星の半分以上の近い軌道で見つかっている。しかし、それらの組成、形成、進化はまだ十分に理解されていない。多惑星系の研究は、初期条件と環境をコントロールしながら、惑星形成と進化の結果を調査する機会を提供する。軌道周期が小さな整数の比で関連する(共鳴している)ものは特に貴重であり、それは誕生時からほとんど変わらないシステム構造を示唆している。ここでは、近くで明るい星HD 110067を周回する6つの通過惑星の観測を紹介する。私たちは、これらの惑星が共鳴軌道の連鎖をなしていることを発見した。最内惑星三つの動的研究により、システム内の他の惑星の軌道の予測と後の確認が可能となった。6つの惑星は、半径が1.94R⊕から2.85R⊕の範囲のサブネプチューンであることが分かった。3つの惑星の質量が測定され、低い体積密度が大きな水素主体の大気の存在を示唆している。



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