ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が有望な太陽系外惑星の大気をスキャンしたが、新たな問題が明らかに

masapoco
投稿日
2023年9月30日 6:14
jwsts first spectrum of a trappist 1 planet TRAPPIST 1 4K scaled 1

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST)が新たに発見したところによると、TRAPPIST-1系の惑星の大気を観測しようとする努力は、その中心にある赤色矮星の表面での活発な活動によって妨げられている。

2023年3月、JWSTの中間赤外線観測装置(MIRI)は、TRAPPIST-1惑星のひとつであるTRAPPIST-1bの二次通過を観測した。この惑星はこの星系の最も内側にある惑星で、地球より少し質量が大きいが、恐らく大気を持たず、表面温度も摂氏232度と高温で、むき出しの岩石の惑星である事を発見した。同じような結果は、この星系の次の惑星、TRAPPIST-1cでも3ヶ月後に得られている。この2つの惑星は、太陽系の最も内側にある水星と類似しているようだ。

そして、モントリオール大学のOlivia Lim氏率いる天文学者チームによる新たな観測は、TRAPPIST-1系の惑星、特にTRAPPIST-1bのスペクトルを初めて撮影することで、これらの以前の発見を裏付けている。

「私たちの観測では、TRAPPIST-1bの周囲に大気の兆候は見られませんでした。このことは、この惑星がむき出しの岩石であるか、大気の高い位置に雲があるか、大気を検出するには小さすぎる二酸化炭素のような非常に重い分子を持っている可能性を物語っています」と、この新しい研究の著者の一人であるミシガン大学のRyan MacDonald氏は公式リリースで述べている。

TRAPPIST-1bがわずかな大気を保持している可能性はまだ否定できないが、JWSTの近赤外線撮像装置とスリットレス分光器(NIRISS)が捉えたスペクトルには、水素が支配する厚い大気の証拠はない。しかし、この発見には興味深い注意点がある。

MacDonald氏は声明の中で、「我々が見ているのは、恒星が我々の観測を支配している最大の影響であるということです」と、述べている。

恒星による“汚染”

研究チームは、この特別な太陽系外惑星の大気特性の調査中に、主星の活動が干渉していることを観測した。この星系の中心に位置する赤色矮星の存在が、TRAPPIST-1星系に居住可能な惑星が存在しているのかどうかについての真実を覆い隠しているかも知れないのだ。

太陽系外惑星の大気のスペクトルを測定するには、透過光分光という方法を使う必要がある。惑星が恒星と私たち地球との間を通過するとき、星の光の多くは惑星自身によって遮られるが、その光の一部は惑星の大気(もしあれば)を通過する。大気を通過した光線は、大気中の分子によって特徴的な波長で吸収される。もしその光が地球にある検出器に当たれば、科学者は惑星のスペクトルから吸収線を探し出し、その惑星の大気にどのようなガスが存在するかを見分けることができる。

しかし問題は、TRAPPIST-1のような赤色矮星は一般的に非常に活動的な星であり、明るい星面と大きく暗い星点があることだ。これらの特徴は、惑星のスペクトルの測定を妨害し、吸収線を模倣するような対照的な明るい線と暗い線を作り出す。これは“恒星汚染”と呼ばれる。これがTRAPPIST-1 bの正確な透過スペクトルや、系内の他の惑星に影響を与える可能性がある。

「恒星の斑点や小惑星による汚染に加え、恒星のフレア(数分から数時間の間、恒星が明るく見える予測不可能な現象)が見られました。このフレアは、惑星によって遮られた光の量の測定に影響を与えます」と、Lim氏は述べている。

しかし、これを軽減する方法はある。

もう1つは、恒星の汚染と惑星の大気を一緒にモデル化し、異なる種類の大気によって惑星のスペクトルがどのように見えるかという様々なモデルに当てはめることである。

Lim氏のチームは両方のアプローチをとったが、どちらも同じ結果になった:TRAPPIST-1bには厚い水素大気がなく、そのスペクトルは星の活動によって完全に説明できる。

TRAPPIST-1星系にある7つの惑星の中で、惑星bは大気を持たない可能性が最も高い。なぜなら、惑星bは恒星の恒星風と激しいフレアの影響をフルに受け、大気が吹き飛ばされる可能性があるからだ。しかし、この惑星が水蒸気、二酸化炭素、メタンなどの薄い大気を持つかどうかは、星の活動によって生じる不確定要素が、そのような大気を検出するのに必要な精度よりも桁違いに大きいため、何とも言えない。

このことは、星系内の他の世界のスペクトルを観測する上で深刻な問題となる。

「もし今、恒星に対処する方法を見つけ出さなければ、ハビタブルゾーンにある惑星、つまりTRAPPIST-1d、e、fを見たときに、大気のシグナルを確認することが難しくなるでしょう」とMacDonald氏は言う。


論文

参考文献

研究の要旨

TRAPPIST-1は、木星サイズのM8.5V恒星を通過する、地球サイズの温帯岩石系太陽系外惑星7個からなる近傍惑星系であり、詳細な大気研究に理想的である。それぞれのTRAPPIST-1惑星は、宇宙からも地上からも透過的に観測されており、雲のない水素に富んだ大気を否定している。JWST/MIRIによるTRAPPIST-1 bの二次食観測は、熱の再分布がないことから、大気がほとんどないことと一致している。ここでは、JWST/NIRISSによる2回の観測で得られたTRAPPIST-1 bの最初の透過スペクトルを紹介する。この2つの透過スペクトルは、恒星の非一様性による汚染の中程度から強い証拠を示しており、両観測ともその信号が支配的である。1回目の観測の透過スペクトルは非占有のスタースポットと一致し、2回目の観測では非占有のファキュラのサインを示している。恒星汚染と惑星大気のフィッティングを順次あるいは同時に行った結果、雲のない水素に富んだ大気がないことは確認できたが、二次大気の存在は評価できなかった。しかし、二次大気の存在を評価することはできない。恒星モデルの忠実性の欠如に伴う不確かさは、89ppmの観測精度(2回の観測を合わせたもの)を1桁上回ることがわかった。



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