科学者は異常値が大好きだ。異常値とは、自然が我々にその境界と限界を教えてくれる方法である。科学者たちは、異常値によって自分たちの理解が崩されたときに動揺するのではなく、異常値が刺激する好奇心を糧にしている。

小さな恒星の周りを回る巨大惑星の新発見の場合もそうだ。それは惑星がどのように形成されるかについての我々の理解に反するものであり、我々の惑星形成モデルの更新が必要であることを意味する。

『Science』誌に発表された論文で、研究者たちは、低質量の恒星を周回する海王星質量の太陽系外惑星を発見したと発表した。この恒星はLHS3154というM矮星（赤色矮星）である。質量は太陽の0.11倍で、赤色矮星としては普通の質量である。

しかし驚くべきは、この恒星の周りを回っている惑星の大きさだ。この惑星はLHS 3154bと呼ばれ、赤色矮星を周回するほとんどの惑星と比べると化け物だ。少なくとも地球質量は13.2個。これは、17地球質量を持つ海王星と同じ範囲である。LHS3154bはまた、非常に近い軌道にあり、恒星の周りをわずか3.7日で回っている。

新しい論文は「A Neptune-mass exoplanet in close orbit around a very low-mass star challenges formation models」 である。筆頭著者はプリンストン大学のNASAセーガンフェロー（天体物理学）であるGudmundur Stefanssonである。Stefanssonはペンシルバニア州立大学の大学院生としてこの発見に取り組んでいた。

ペンシルバニア州立大学の天文学・天体物理学教授で論文の共著者であるSuvrath Mahadevanは、「この発見は、我々が宇宙についていかに何も知らないかということを如実に突きつけるものだ。このような低質量の星の周りに、これほど重い惑星が存在するとは思ってもみなかった」と、述べている。

なぜこの発見は驚くべきものなのか？それは、恒星とその原始惑星系円盤についてである。

星が形成されるとき、それは太陽系星雲の中心にある原始星から始まる。星が形成されると、原始惑星系円盤と呼ばれるガスと塵の回転する円盤が星の周りに形成される。この円盤の中で密な結び目が形成され、惑星や準惑星が形成される。この過程は詳細で、まだ完全には解明されていない。しかし、科学者が知っていること、あるいは知っていると思っていたことは、円盤の質量が大きければ大きいほど、形成される惑星の質量も大きくなるということだ。そして、円盤の質量は恒星の質量と比例する。

大質量の星＝大質量の円盤＝大質量の惑星。当然、逆も成り立つ。小さな星＝小さな円盤＝小さな惑星。しかし、LHS3154bとその恒星はこれに当てはまらない。原始惑星系円盤には、惑星が形成されるのに十分な質量がないはずなのだ。

「低質量星LHS 3154の周りの惑星形成円盤には、この惑星を作るのに十分な質量はないと予想されています。しかし実際に今回存在が確認されたので、惑星と恒星がどのように形成されるかについての我々の理解を見直す必要があります」と、Mahadevanは述べている。

この巨大惑星を発見するには特別な装置が必要で、Mahadevanはその装置を作った科学者チームを率いた。それはハビタブル・ゾーン・プラネット・ファインダー（HPF）と呼ばれるもので、ペンシルベニア州立大学で作られた分光器である。HPFは、液体の水を持つ可能性のある、冷たい星の周りを回る惑星を検出するように設計されている。太陽のような大きくて明るい恒星のまわりでは、小さな惑星を発見するのは非常に難しい。

しかし、より温度の低い恒星の周辺では、液体の水を持つほど近くにある惑星を見つけるのはずっと簡単だ。

「星を焚き火に例えて考えてみてください。火が冷えれば冷えるほど、暖をとるために火に近づく必要が出てきます。惑星も同じです。恒星が寒ければ、惑星が液体の水を含むほど暖かくなるには、恒星に近づく必要がある。惑星が超低温の恒星に十分に近い軌道をとっていれば、軌道を回る惑星に引っ張られて恒星のスペクトルや光の色が非常に微妙に変化するのを見て、それを検出することができるのです」と、Mahadevanは述べている。

LHS 3154はこれまでに発見された中で最も小さな星のひとつである。太陽の11％の質量しかなく、核融合を維持するためには太陽の8％の質量が必要だ。これはVLM星（Very Low Mass star）と呼ばれている。LHS3154のような星は、とても小さく、薄暗いので見つけにくい。そのため、太陽系外惑星探査ではVLM星はあまり見つかっていない。

しかし天文学者たちは、このことを念頭に置いてHPFを設計した。この研究の研究チームは、2020年にLHS3154をHPFで観測し始めた。その結果、すぐに恒星の周囲に惑星が存在する兆候を発見し、恒星をわずかに引っ張り、惑星の存在を示すようなぐらつきを与えた。しかし、M矮星はかなりフレアすることが知られており、これは誤検出の可能性があるため、天文学者たちはしばらく様子を見た。信号が一定であることを確認すると、惑星を発見したことがわかった。

M矮星には惑星がたくさんあることが知られているが、我々の太陽系や太陽に似た恒星の周りにある巨大な惑星よりはずっと小さい。LHS3154bは珍しく、異常値であり、どのようにしてそこで惑星が形成されたかを説明する仕事があるということだ。

ペンシルバニア州立大学の天文学大学院生で、この論文の共著者であるMegan Delamerは、「HPFや他の観測装置による現在の調査からすると、我々が発見したような天体は極めて稀である可能性が高いです。現在の惑星形成理論では、我々が見ているものを説明するのは難しい」と、述べている。

研究チームの測定によれば、LHS 3154bは重い惑星の核を持っているはずである。しかし、現在のモデルでは、原始惑星系円盤は惑星形成に十分な物質を持っていないはずである。原始惑星系円盤には、ガスと塵の両方が含まれている。この2つの比率は、恒星の質量と惑星の質量を説明するのに役立つ。M矮星の周囲にLHS3154 bが存在することは、円盤の塵とガスの比率が、科学者の理解よりも10倍高い必要があることを示唆している。

惑星の形成には2つの説がある。ひとつはコア形成説で、物質が塊を形成し、惑星コアが形成されるまでさらに物質が蓄積される。もうひとつは重力不安定説。これは、大質量の惑星が大質量の円盤の中でどのように形成されるかを説明するものだ。小石による降着ではなく、ガスが円盤内で重力的に崩壊し、最終的に木星や土星のようなガス惑星が形成される。

研究チームは、これらの理論を研究結果と照らし合わせるために、複数のシミュレーションを行った。コア降着メカニズムのシミュレーションではLHS3154bのような質量の惑星はできず、重力崩壊メカニズムのシミュレーションではLHS3154bのような小さな惑星はできなかった。

「どちらの形成メカニズムも、超低質量星の周りで一般的に観測されるよりも、かなり大きな塵の質量を持つ原始惑星系円盤を必要とする」と、研究チームは論文に書いている。

論文の中で、著者らはいくつかの可能性について論じている。

原始惑星系円盤は、少なくとも場合によっては、星が形成された分子雲からの物質をまだ蓄積している可能性がある。つまり、惑星が形成されるための別の物質貯蔵庫があるということだ。それも一つの可能性だ。

あるいは、原始惑星コアが原始星から100万年以内に形成される可能性もある。その若さでは、原始惑星系円盤はそれ以降の時期よりも質量が大きいと予想される。そのため、ガス惑星を形成するのに十分な物質が急速に蓄積する可能性がある。

3つ目の可能性は、現在起こっていることを正確に見ていないことだ。もし塵が星の周りで大きな小石に成長すると、赤外線観測ではそれを見るのに苦労する。「そのような大きさの小石は、ダスト全体の質量を見積もるのに使われるミリ波観測では検出されず、過小評価されることになります」と研究者たちは説明している。

最終的な説明がどうであれ、この発見は、HPFがそのために作られたものであることを示している。もしHPFがこのような異常値をもっと見つけることができれば、惑星形成プロセスの重要な詳細が解明されることになるだろう。

「我々が発見したことは、既存の惑星形成理論全てに極端なテストケースを提供するものです。これはまさに、銀河系で最も一般的な恒星がどのように惑星を形成するかを発見し、それらの惑星を見つけるためにHPFを作ったのです」と、Mahadevanは述べている。

プリンストン大学のNASAセーガンフェロー（天体物理学）であり、この論文の主執筆者であるGuðmundur Stefánssonは、「HPFを使った発見は特別なものでした。今、私たちは、最も近い恒星のいくつかを周回する、このエキサイティングな惑星集団の新しい予期せぬ側面を学び、報酬を得ています」と述べている。

この記事は、EVAN GOUGH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。