系外惑星の研究者たちは驚きには慣れているが、溶岩世界は惑星の奇妙な事例のカタログの中で特別な位置を占めている。これらは恒星に非常に近くを公転するため、表面が溶融した岩石である可能性がある惑星だ。恒星に近く、より高温になるほど、天文学者たちは、蒸発した表面物質から生じたガスの外殻に包まれていると予想するようになってきた。
その予想が今、検証されつつある。The Astrophysical Journal Lettersに新たに発表された研究は、HD 3167 bの観測を記述している。これは地球サイズの溶岩世界で、温度スペクトルの低温側に位置しながらも、依然として大気を保持している可能性があるように見える。米国、英国、中国、スペインの研究者チームによって行われたこの研究は、NASAのジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）を用いて、この惑星が熱的にどのように振る舞うかを探っている。
溶岩世界が惑星科学にとって重要な理由
系外惑星は、惑星の形成、惑星の進化、そして遠方の世界が私たちの知る生命を支えられるかどうかについての私たちの理解に挑戦し続けている。科学者たちはしばしば、私たち自身の太陽系の惑星を類似例として参照するが、そうした比較には限界がある。極端に短い公転周期を持つ系外惑星を研究することは、研究者たちに、惑星がその生涯の中で何に耐えられるのかを繰り返し考え直させる。
溶岩世界は近年、この議論に本格的に加わるようになり、最も極端な例は、主星の危険なほど近くを周回するものだ。この分類のより高温のものについては、物理は比較的整然としているように見えた。極端な温度が表面を溶かし、溶融した物質が気体になり、その気体が大気として惑星を包み込む。対照的に、より低温の溶岩世界は一般に、大気をまったく剥ぎ取られた裸の岩石として観測されてきた。
HD 3167 bは、その明確な区分を複雑にする。それは溶岩世界の範囲の低温側に属するが、新しい観測は、その温度が示唆するほどには不毛ではないかもしれないことを示している。
HD 3167 bの観測の内幕
HD 3167 bは地球から約154光年の距離にある。半径は地球の約1.6倍、質量は地球の約4.8倍で、K型星の周りを約0.96地球日で公転している。これは私たちの惑星の1日よりも短い1年だ。
その主星はK型星であり、太陽よりも小さく低温な分類に属する。天文学者たちは、K型星が天の川銀河で最大の恒星集団を構成していると推定しており、そのためそれらを周回する惑星は、特定の惑星条件が銀河全体でどれほど一般的でありうるかを理解しようとする研究者にとって特に興味深い。
二次食で惑星の熱を読み取る
HD 3167 bが大気を保持しているかどうかを調べるため、研究チームは二次食のJWST観測に依拠した。この幾何学は、より馴染み深いトランジットとは異なる。トランジットは、惑星が恒星の前を通過するときに起こり、恒星の光を一時的に暗くする。二次食は、代わりに惑星が恒星の背後を通過するときに起こり、恒星の光を、惑星自体が放出しているものから分離することを可能にする。
その区別が、新しい結果を可能にしたのだ。JWSTが二次食の間にHD 3167 bを観測したところ、惑星の表面は研究者たちが以前に仮説を立てていたよりもはるかに低温であることが判明した。
驚くほど低温の表面が意味しうること
研究者たちによれば、その予想外に低い温度は、惑星の表面全体で何かが起こっていることを示している可能性がある。昼側からの熱が夜側へ再分配されている可能性だ。言い換えれば、この惑星は、裸で大気のない岩石がそうするようには、熱を宇宙空間へ放射し戻していないかもしれない。
昼側と夜側の区別は、ここでは非常に重要だ。恒星にこれほど近くを公転する惑星は潮汐固定されており、つまり一方の半球が常に恒星に面し、もう一方は永遠の暗闇にとどまる。大気のない世界では、その配置は二つの半球の間に巨大な温度差を生み出すだろう。灼熱の昼側と極寒の夜側だ。一方の半球からもう一方へ熱を移動させる仕組みは、その差を和らげるだろうし、大気はまさにそれを行う最も自然な候補の一つだ。
それでも大気を保持しているかもしれない、より低温の溶岩世界
総合すると、観測は証明された事実というよりも、一つの可能性を指し示している。HD 3167 bは、通常ガスの外殻と関連付けられる溶岩世界よりも低温でありながら、大気を保持している可能性がある。もしその解釈が持ちこたえれば、温度だけが溶岩世界が大気を保つか失うかを決めるという単純な前提に挑戦することになるだろう。
この発見は、既存の枠組みを覆すというよりも、それを圧迫している。より高温の溶岩世界は大気を持つことが確認されており、より低温のものは大気を欠くことが見出されている。HD 3167 bはそれら二つのグループの間の厄介な空間に位置しており、まさにそのために興味深いのだ。
一目でわかる主要な事実
- 惑星: HD 3167 b、地球サイズの溶岩世界
- 距離: 地球から約154光年
- 大きさと質量: 半径は地球の約1.6倍、質量は地球の約4.8倍
- 公転: K型星の周りを約0.96地球日
- 観測装置: NASAのジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡
- 手法: 二次食観測、惑星が恒星の背後を通過するとき
- 主要な結果: 表面は以前に仮説を立てられたよりも低温で、熱の再分配と大気の可能性を示唆
- 掲載誌: The Astrophysical Journal Letters
- 研究チーム: 米国、英国、中国、スペインの科学者たち
この結果が重要な理由
溶岩世界は極端な惑星物理のための自然の実験室だ。恒星に非常に近くを公転するため、私たちの太陽系のどの惑星も耐えない放射にさらされ、その短い1年は、研究者たちが加熱と冷却の繰り返しサイクルを比較的素早く観測できることを意味する。これらの惑星の一つ一つの新しい測定は、いまだ構築途上にある全体像にデータ点を加えていく。
HD 3167 bは、これまで主に空白だった方向へ試料を広げるため、特に価値がある。より低温の溶岩世界が、たとえ断続的であっても大気を保持できるなら、「裸の岩石」と「ガスに覆われた世界」の境界は、単純な温度ベースの規則が示唆するよりも曖昧だということになる。それはひいては、天文学者たちが惑星の生涯にわたる大気の喪失と保持をどうモデル化するかに影響する。
残る未解決の問い
最も差し迫った問いは、HD 3167 bが本当に大気を持っているのか、それとも何か別の過程が予想より低温の表面を説明するのか、というものだ。ガスの外殻の存在を確認し、その外殻が何でできているかを特定するには、追加の観測と分析が必要だろう。チームの証拠は興味をそそるものだが、それは判決ではなく、一つの可能性のための証拠だ。
二つ目の問いは、そのような大気がそもそもどのように持続しうるかに関わる。より低温の溶岩世界が大気を欠くとされてきたのには理由があり、HD 3167 bのような惑星が—もし持っているなら—大気を保持することを何が可能にするのかを理解すれば、短周期惑星における大気散逸と表面相互作用のモデルがより精緻になるだろう。
今のところ、HD 3167 bは、銀河で最も極端な惑星たちが、科学者たちが彼らのために書いた規則にめったに従わないことを思い起こさせる存在だ。JWSTが溶岩世界の観測を続ける中で、今後数年間は、このより低温の外れ値が例外なのか、それともこのカテゴリー自体が再考を要するという最初の兆しなのかを明らかにするはずだ。
この記事はUniverse Todayによる報道に基づいています。元の記事を読む。
Originally published on universetoday.com