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天の川銀河には地球と同じ数の水の世界が存在する可能性

2022年7月12日、NASAジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が運用開始から6カ月間に取得した最初の画像を公開した。ウェッブ宇宙望遠鏡は、太陽に近い軌道を回る小さな岩石質の惑星、特に宇宙で最も一般的なM型(赤色矮星)の惑星を探索することを目的としている。これにより、太陽系外惑星の国勢調査が完了し、どのような種類の惑星が存在するのか、より深く理解することが可能となる。特に、私たちの銀河系にある地球型惑星のうち、どれだけが実際に「水の世界」であるのか、天文学者は興味がある。

これは、地球より大きくても密度が低い岩石質の惑星で、水のような揮発性物質が質量比の半分以上を占めていることを示唆している。シカゴ大学とカナリア諸島天体物理学研究所(IAC)の研究者が行った最近の研究によると、水の惑星は地球のような岩石質の惑星と同じくらい一般的である可能性があるそうだ。この発見は、太陽系内の氷の衛星(エウロパなど)に似た系外惑星が存在することを補強し、今後の系外惑星研究や宇宙における生命探査に大きな影響を与える可能性がある。

この研究は、シカゴ大学およびアンダルシア宇宙研究所(IAA-CSIC)のRafael Luque氏、IACおよびラ・ラグーナ大学(ULL)のEnric Pallé氏らの研究者によって進められた。彼らの成果は、「半径ではなく密度が、M矮星を周回する岩石型惑星と水型惑星を分ける」と題され、学術誌「Science」に最近掲載された。Luque氏とPallé氏は、天の川銀河の約80%を占めるM型星を周回する43個の岩石型太陽系外惑星について、質量と半径を分析した。

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M星の周りにある惑星の平均密度の分布で、岩石型惑星、水の世界、ミニ海王星といった惑星の種類が明確に区別できる。(Credit: IAC)

NASAの太陽系外惑星探査衛星TESSのトランジットデータと、スペイン南部にあるカラールアルト天文台の3.5m望遠鏡CARMENES分光器による動径速度観測を組み合わせることで、これらの惑星の大きさと質量を正確に測定することができた。これにより、惑星の大きさと質量を正確に測定することができ、そこから惑星の質量分率(密度)を推定することができた。その結果、惑星の大部分は、大きさの割に密度が軽すぎて、岩石だけで構成されていることがわかった。

そのため、これらの太陽系外惑星は、半分が岩石で半分が水などの軽い分子(メタン、アンモニア、その他の揮発性元素など)で構成されているはずだと推測されたのだ。Luque氏は最近のIACのプレスリリースで次のように説明している。

「私たちは、水の惑星が存在することを初めて実験的に証明し、実際に地球のような惑星と同じくらい豊富に存在することを発見しました。乾燥した惑星と湿った惑星を分けるのは、これまで考えられていたような半径ではなく、惑星の密度であることを発見しました。地球は乾燥した惑星ですが、その表面はほとんど水で覆われているため、とても湿っているように見えます。地球の水は全質量の0.02%に過ぎませんが、これらの水の世界では全質量の50%を占めているのです。」

しかし、M型星の周りの惑星は、通常、片側が常に太陽の方を向いている潮汐ロック状態になるほど密接に公転している。この距離では、惑星表面の水は超臨界ガス相で存在する可能性が高く、そのサイズは大きくなる。その結果、Luque氏とPallé氏は、この集団では水は岩に結合しているか、地表下の閉じた体積にあり、地表の海、湖、川の形にはなっていないと理論的に説明した。このような状況は、木星の衛星エウロパや土星の衛星タイタンなど、太陽系外縁部の氷の衛星で科学者が観測してきたものと似ている。

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質量の半分が水で構成される水の世界の想像図。月と同じように、潮汐力によって恒星と結合しており、主星に対して常に同じ顔を見せている。(Credit: Pilar Montañés)

これらの惑星は、太陽と潮汐ロックされていることから、太陽に面した面には液体の海があり、それ以外の面は凍結している可能性があり、俗に「目玉惑星」と呼ばれることもある。この種の太陽系外惑星の存在はこれまでにも推測されていたが、今回の発見は、この新しいタイプの太陽系外惑星を初めて確認したことになる。また、恒星系のいわゆる「スノーライン」(揮発性元素が固まる境界線)の向こう側に水の世界が形成され、その後恒星の近くまで移動するという説を補強するものでもある。とPallé氏は語った。

「この種の恒星の周りを回る小惑星は、地球とよく似た岩石質の惑星、質量の半分が水でできている惑星(水の惑星)、水素やヘリウムの大気を持つミニ海王星の3つに分類されることがわかりました。太陽系外惑星の大きさと密度の分布は、恒星からの距離が異なる惑星が形成された結果であり、大気の有無によるものではありません。」

「我々の測定の質量と半径の不確かさのために、個々の惑星は、時々、複数のカテゴリー(地球型、水の世界など)に当てはまる可能性があります。」とLuque氏は付け加えた。「私たちが今回行ったように、惑星の集団を観測したときにこそ、はっきりとした異なる組成のパターンを引き出すことができるのです。」

研究者によると、次のステップは、水の世界の内部構造についてもっと知ることだ。これは、水がどこに貯蔵されているか、また、これらの惑星が検出可能な超臨界水蒸気の希薄な大気を有しているかどうかを明らかにすることを必要とする。これは、エウロパや他の氷の衛星が水蒸気と酸素からなる希薄な大気を持っているのと同じだ。水蒸気と酸素は、太陽の光によって水の分子が酸素と水素に分解される光分解によって発生する。

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TRAPPIST-1系に属する2つの太陽系外惑星(TRAPPIST-1d & TRAPPIST-1f)の想像図。(Credit: NASA/JPL-Caltech)

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST)は、赤外線イメージャとスペクトロメータを搭載しており、これらの調査を行うのに理想的な望遠鏡だ。また、超大型望遠鏡(ELT)、巨大マゼラン望遠鏡(GMT)、30m望遠鏡(TMT)などの地上望遠鏡も、コロナグラフや高性能分光器によって、これらの太陽系外惑星を直接撮影することができるようになる予定だ。これらの観測によって、遠方の太陽系外惑星のスペクトルが得られ、天文学者はその大気や表面の特徴をこれまでにないほど明らかにすることができる。とLuque氏は強調する。

「また、この発見が他の種類の星のまわりにある小さな惑星の集団にも当てはまるかどうかを理解することも重要な課題です。大きな星の周りにある小さな惑星の正確な質量を測定することはより困難ですが、最新世代の超安定分光器を使って、まもなくデータが得られるでしょう。」

M型星の周りの岩石型惑星の今後の調査には、太陽系外に最も近い太陽系外惑星が含まれる。これは、プロキシマ・ケンタウリの近隣星系でわずか4.25光年の距離にある岩石質惑星、プロキシマbに外ならない。2016年に確認されて以来、科学者たちはその潜在的な居住可能性を測るために、その組成についてもっと知ろうと努めてきました。さらに、TRAPPIST-1の7つの岩石惑星系も、これらの惑星の一部が「乾いた目玉」と「湿った目玉」の惑星である可能性があると科学者が推測しているため、注目されるだろう。

今後数年間は、太陽系外惑星のセンサスが数万個に達し、重大な発見の時期となることが予想される。これほど多くの惑星が研究対象となることで、太陽系外生命体の探索も加速されると予想される。もしかしたら、最初の証拠となるかもしれない。

研究の要旨

海王星よりも小さな惑星は、赤色矮星(M矮星)の周りに多く存在し、その主星を通過する惑星は、大気の特徴を調べることができる既知の温帯惑星の大部分を構成している。我々は、M矮星の周りを通過するすべての既知の小惑星の質量と半径を分析し、岩石質、水に富む、ガスに富むという3つの集団に分類した。その結果、これまで知られていた水素・ヘリウム包絡線の消失に起因する二峰性の半径分布と矛盾することがわかった。その代わりに、密度差によって岩石質惑星と水惑星が分離していることを提案する。軌道の移動を含む形成モデルによって、この観測結果を説明することができます。岩石質の惑星はスノーラインの内側で形成され、水の豊富な惑星はスノーラインの外側で形成され、その後内側へ移動するのだ。

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