テキサス A&M 大学を中心とする国際研究チームは、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) の中間赤外線観測装置 (MIRI) の中解像度分光器 (MRS) を用いて、地球に最も近い 15 個の白色矮星の周りを回るさまざまな太陽系外惑星を検出する方法を調べ、the Monthly Notices of the Royal Astronomical Societyに受理された。この研究は、太陽系外惑星やその惑星組成、生命維持の可能性などに関する知識を広げる可能性を持っている。

白色矮星は、太陽のような星が核燃料を使い果たした結果、地球ほどの大きさになった非常に高密度の星だ。本質的に、白色矮星は、私たちの太陽が今から数十億年後にその生涯を終えるときの姿とも言える。では、なぜ白色矮星は地球外の生命を探す上で特に注目されているのだろうか？

テキサスA&M大学物理学・天文学科の博士候補生であり、この研究の主執筆者であるMary Anne Limbach（メアリー・アン・リンバック）氏は、太陽は地球の100億倍も明るいため、太陽型星のハビタブルゾーン（HZ）内の惑星でバイオサインを見つけることがいかに困難であるかを説明した。このことは、JWSTの観測装置が、撮像される地球型惑星の光を星の光にかき消されてしまうため、地球型惑星を検出できないことを意味するという。

「一方、死んだ星の残骸である白色矮星は、太陽よりもずっと小さい。白色矮星の大きさ（半径）は、地球とほぼ同じです。白色矮星は赤外線で見ると、地球の100倍程度の明るさしかありません。また、ほとんどの白色矮星は星生成の斑点やフレアを起こさず、時間経過とともに明るさが一定になることが分かっています。ですから、白色矮星と地球型衛星を5パーセクに配置した場合、地球型衛星は写りませんが、地球があることによって受ける1％程度の余分な光は検出されるはずです。この余分な光は『赤外線過剰』と呼ばれ、私たちが論文で提案している白色矮星系外惑星を検出する方法です。」と、Limbach氏は説明する。ちなみに、1パーセクは3.26光年に相当する。

この方法により、JWST は地球から 15 パーセク以内にある白色矮星を周回する冷たいガス巨星系太陽系外惑星と、地球型と水星型の両方を含む温帯・高温型の地球外惑星を、地球から 10 パーセク以内で赤外線超過として検出することができることを発見したのだ。また、MIRIを用いた分光観測のフォローアップにより、白色矮星のハビタブルゾーンに存在する地球型惑星のバイオシグネチャーを探索する方法についても考察している。このような素晴らしい発見がある一方で、JWSTは白色矮星以外の恒星にある惑星のバイオシグネチャーを観測できる可能性があるのだろうか？

「トランジット分光法は、太陽系外惑星の大気を調べる方法だが、JWSTでバイオシグネチャーを探すために提案されているもう一つの方法です。他の研究論文では、白色矮星やM矮星（太陽より質量は小さいが、水素を融合している星）に対してこの技術を使うことが検討されています。JWSTのトランジット分光法を用いると、この観測に最も適したM矮星であるトラピスト1惑星のバイオシグネチャーを検出するのに数百時間かかると思われます。一方、白色矮星を5パーセクで周回する地球型惑星のバイオシグネチャーを検出するには、私たちが提案する赤外線過剰法を用いると、約25時間かかると言われています。しかし、TRAPPIST-1型太陽系外惑星のことは分かっていますが、白色矮星の周りにある地球型太陽系外惑星は検出されていないのです。したがって、私たちの目標は、まずこれらの太陽系外惑星を赤外線過剰放射で同定し、その特徴を明らかにすることです。」と、Limbach氏は説明する。

TRAPPIST-1系は、地球から12パーセク(39光年)の距離にある星系で、我々の太陽より12倍質量が小さい星の周りを少なくとも7つの地球サイズの惑星が周回しており、2021年の研究では、7つの惑星全てが同じ密度を共有しており、岩石の世界かもしれないということが示されている。では、地球以外の生命体を見つけようとすると、どのような未来が待っているのだろうか。

「NASAは、太陽のような星の周りにある居住可能な太陽系外惑星を撮影できる望遠鏡の建設を計画していますが、JWSTに匹敵する感度を持つ赤外線宇宙観測装置は今後計画されていません。そのため、JWST/MIRIによる観測が、近傍の白色矮星に生命が存在するかどうかを調べる唯一のチャンスになるかもしれないのです。 もしこの不明瞭な場所に豊富な生命が存在するならば、近い将来、太陽のような星を周る地球類似星の特徴を明らかにできる観測所ができるずっと前に、JWSTでこれらの世界のバイオシグネチャーを検出する可能性が高いでしょう。」と、Limbach氏は説明する。

研究の要旨

我々は、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）が、近傍の白色矮星を周回する地球型太陽系外惑星の混合光のエネルギー分布から、赤外線（IR）過剰を検出できることを実証する。JWSTは、MIRIの中分解能分光器（MRS）を用いて、近傍の孤立した白色矮星15個周辺の混合光スペクトルから、暖かい地球やスーパーアース、高温（400-1000K）の水星を10時間の積分で検出できることを発見した。さらに、この観測によって、これらの惑星に二酸化炭素を主成分とする大気が存在することが明らかになった。この観測は、惑星の傾きにほとんど影響を受けないため、白色矮星の小さなサンプルを観測するだけでも、太陽系近傍の白色矮星の周りにある暖かい地球型外惑星の発生率に強い制限を与えることができる。我々は、JWSTが、34個の最も近い（<13 pc）孤立白色矮星に対して、λ=21μmでのMIRI広帯域撮像により、例外的に冷たい（100-150 K）木星サイズの系外惑星も検出できることを、1ターゲットあたり2時間の統合時間で発見した。MRSの長基線観測で可能な、軌道位相の熱的変化や大気中のスペクトル吸収の特徴を赤外線の過剰放射で検出することで、候補が実際の太陽系外惑星であることを確認することができる。地球のような大気組成を仮定すると、白色矮星を周回するすべてのハビタブルゾーン地球（6.5pc以内：6つの白色矮星系）または超地球（10pc以内：17の系）に対して、MRIの低解像度分光器（LRS）を用いてわずか5-36時間の積分時間で生物署名ペアO3+CH4を検出できることがわかった。