日本の研究者らは新たな論文の中で、この太陽系の中には、架空の天体「プラネット・ナイン」よりもずっと身近に「地球に似た」惑星が存在する可能性があるという驚くべき説を提唱している。
重力の群れ
ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡などの高度な望遠鏡の出現により、宇宙初期の銀河すらも捉えられるようになっている人類であるが、意外かも知れないが、実は太陽系についてもまだ分かっていないことが沢山ある。その1つに、海王星よりも遠いカイパーベルト近辺を周回する軌道を描く惑星が存在している証拠がいくつもあるのだが、未だハッキリとその姿を捉えることが出来ていないのだ。
その証拠とは、冥王星、ハウメア、クワオアーのような、海王星の外側を公転する小さな氷の天体や矮小惑星の研究から得られたものだ。これらのいわゆる太陽系外縁天体は、均等に分布しているのではなく、まるで目に見えない引力に群れをなしているかのように、ある一定の分布パターンに従っているように見える。
そして、その引力は、人類に未発見の太陽系の家族からもたらされているに違いないと天文学者は言う。この考え方は、いくつかの興味深い問題を提起している。特に、その惑星がどのようなものなのか、どこで見つかる可能性があるのかということだ。
今回、日本の近畿大学のPatryk Sofia Lykawka教授と国立天文台の伊藤孝士氏の研究により、その答えが導き出された。
謎の隣人は、おそらく250～500天文単位（au＝地球から太陽までの距離）の距離を公転しており、質量は我々の母星の1.5～3倍であろうと彼らは結論づけている。もし彼らの理論が正しければ、太陽系のどこかに地球とよく似た惑星が存在することになるのだ。
カイパーベルトには何百万もの氷の天体が存在することが知られており、それらは海王星の彼方にあるため、太陽系外縁天体（trans-Neptunian objects, TNO)と呼ばれている。
太陽系外縁天体は、太陽系が形成されたときに残されたもので、岩石、非晶質炭素、水やメタンなどの揮発性氷の混合物から構成されていると考えられている。
今回研究者らは、太陽系外縁天体のいくつかが「特異な軌道」を描いていることに気づいた。これらの天体を調べる事で、これらが過去にどのような影響を受けたかを知る手がかりが得られる。
例えば、小さな天体は大きな天体の軌道と共鳴する軌道を占める傾向がある。これは、大きな惑星が何十億年もの間、常に重力に後押しされてきた結果である。このため、ある特定の構成だけが安定する。
(Nrco0e/Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0)
そこでLykawka氏と伊藤氏は、既知の惑星が持つ通常の重力の影響では説明できない、太陽系外縁天体の3つの基本的な性質に注目した。一つ目は、これらの天体のかなりの割合が、海王星の重力の影響を超えた40天文単位以上の距離を周回していることである。
そのため、これらの天体がどのようにしてそこに存在するようになったのかという疑問が生じる。どのような重力の後押しによって、このような配置になったのだろうか？
太陽系外縁天体のもう一つの特徴は、かなりの割合で軌道が非常に傾いていて、太陽系の他の部分から外れていることだ。このような亜集団を作り出せたのは、特殊な “後押し”だけである。
そして最後に、太陽系外縁天体の中には、従来の重力モデルでは作り出すことが難しい、特異な軌道を持つものがいくつかある。例えば、矮小惑星セドナは例外的に細長い軌道を持ち、最接近の60天文単位から最遠の1,000天文単位近くまで移動する。
海王星や他の既知の惑星との重力相互作用では、この軌道を説明できない。他にも少なくとも9つの海王星を越える天体が同じような奇妙な軌道を持っている。
「遠いカイパーベルトモデルを成立させるには、これらの制約を同時に説明する必要があります」とLykawka氏と伊藤氏は述べている。
スノーボール・アース
研究者らは、太陽系はおそらく数十個の地球以下や地球クラスの惑星で形成され、衝突や散乱によってそのほとんどが星間空間に迷い込んだと考えている。Lykawka氏と伊藤氏が探求している仮説は、これらの惑星のひとつがまだ太陽系に存在し、海王星を越える天体のさまざまな軌道の原因になっているのではないか、というものだ。
それを明らかにするために、彼らは太陽系の重力モデルを作り、地球のような惑星がこれらの遠い天体にどのような影響を与えるかをシミュレートした。「我々は、未発見の地球型惑星が遠方のカイパーベルトの主な制約を説明できることを実証するために、広範なシミュレーションを使用しました。我々は、地球の1.5-3倍の質量を持つカイパーベルト惑星が、これらの特性を説明できることを発見したのです」と、彼らは述べている。
この地球に似た惑星は、太陽系に対して30度傾いた軌道を250天文単位から500天文単位の間で公転しなければならない。さらに、このモデルは、セドナのような特異な軌道を持つ、より多くの海王星を越える天体の存在を予測している。将来これらの天体が発見されれば、Lykawka氏と伊藤氏の主張の信憑性が高まるだろう。
「遠く離れたカイパーベルトの軌道構造をより詳細に知ることで、太陽系外縁部に存在する仮説上の惑星の存在を明らかにしたり、否定したりすることができます。カイパーベルト惑星の存在はまた、惑星形成と木星間領域での力学的進化に関する新しい制約を提供するかもしれない」と、彼らは書いている。
また、彼らの提案する惑星は、すでに仮説が立てられているプラネット・ナインとは異なることを強調している。プラネット・ナインは、はるかに質量が大きく、より遠い軌道上にあると考えられている。
この結果は、地球のような惑星がもうひとつ発見されるのを待っていることを示唆する興味深いものだ。Lykawka氏と伊藤氏の主張が正しいかどうかを知る術は現在まだないが、それを発見しようと挑戦する天文学者が後に続くことを祈る。
論文
- The Astronomical Journal: Is There an Earth-like Planet in the Distant Kuiper Belt?
参考文献
研究の要旨
海王星系外縁天体（TNO）の軌道は、太陽系外縁部に未発見の惑星が存在することを示す可能性がある。ここでは、N体コンピュータシミュレーションを用いて、約50au以遠のカイパーベルトに存在するTNOの軌道構造に対する、仮説上のカイパーベルト惑星（KBP）の影響を調べた。私たちは、モデルの結果を制約するために、よく知られた太陽系外縁天体サーベイ（OSSOS）を含む観測を用いた。その結果、地球型惑星(m ∼ 1.5-3 M↪Sm_2295)が遠方(半長軸 a ∼ 250-500 au, 近日点 q ∼ 200 au)で軌道が傾いている(i ∼ 30°)ことで、遠いカイパーベルトの3つの基本的な性質を説明できることがわかった、すなわち、海王星の重力の影響を超える軌道を持つTNOの顕著な集団（すなわちq > 40auの離脱天体）、高i天体の有意な集団（i > 45°）、そして特異な軌道を持ついくつかの極端な天体（例えばセドナ）の存在である。さらに、提案されたKBPは、2:1、5:2、3:1、4:1、5:1、6:1の海王星平均運動共鳴における、同定されたギガイヤー安定TNOの存在と適合する。これらの安定した集団は、他の研究ではしばしば無視されている。我々は、太陽系外縁部に地球型惑星と特異な軌道を持つTNOが存在することを予言する。
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