太陽系の外に新しい種類の超水惑星が存在するかもしれない

天文学者は通常、太陽系の惑星を岩石惑星と巨大ガス惑星の 2 つのタイプに分類します。しかし、銀河系の他の恒星系の惑星に関する新しい研究によると、約 50 パーセントが水、50 パーセントが岩石で構成されている第 3 の種類の世界が存在するそうです。そして、このような水が豊富な世界は、生命を育むことができる惑星の条件に関する仮説を天文学者が検証する魅力的な場所です。  

「我々が生きている間に、他の惑星の居住可能性について科学的に証明されたことを初めて言えるようになるかもしれない」と、シカゴ大学の博士研究員で、木曜日にサイエンス誌に掲載された新しい研究論文の第一著者であるラファエル・ルケ氏は言う。「そしてそれは非常に大きな一歩だ」

近年、天文学者たちは太陽系外惑星と呼ばれる、地球以外の恒星を周回する新しい惑星を次々と発見している。現在までに5,000個以上の太陽系外惑星が発見され、確認されている。しかし、光年離れたところからそれらの世界がどのようなものか、そして居住可能かどうかを正確に把握することは、困難な仕事である。

太陽系外惑星のほとんどは、トランジット法と呼ばれる方法で発見されている。これは、惑星が惑星の前を通過するときにその恒星の光がわずかに暗くなる様子を観察することで、間接的に惑星を特定する方法である。天文学者はまた、恒星の光を遮る量から太陽系外惑星の半径を推測することもできる。科学者たちはその情報を使って、これらの異星の世界を私たちの太陽系の惑星と比較し、その外観を推測している。たとえば、地球と同じ半径の惑星は、かなり岩石質であると考えられている。

しかし、私たちの銀河系で圧倒的に最も一般的な恒星である赤色矮星の多くを周回する軌道上には、太陽系には類似するものがない種類の惑星があります。半径から判断すると、これらの惑星は地球と海王星の間の大きさの隙間に収まります。

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天文学者の間では、これらの小さな惑星は2つのカテゴリーに分けられると長い間考えられてきた。一部は「スーパーアース」、一部は「ミニ海王星」と考えられていた。この考えは、地球の約1.6倍の半径を持つ太陽系外惑星が不足しているという観測によって強化された。この現象は「半径の谷」と呼ばれていると、NASAゴダード宇宙飛行センターの惑星科学者ラビ・コッパラプ氏は説明する。同氏は今回の研究には関わっていない。同氏によると、恒星の放射線が惑星の大気を侵食する方法が、半径のこのギャップを説明すると考えられてきたという。

この論理によれば、半径の谷の小さい側にあった「スーパーアース」は、非常に薄い大気と、露出した岩石の表面を残したことになる。一方、「ミニ海王星」は、厚くふくらんだ大気を保持していたため、これらのガス惑星はより大きな半径を持っていた。

しかし、そのような半径を持つ太陽系外惑星を作る方法は他にもあるかもしれない。太陽系内に類似するものがないため、これらの世界はまさに異星である可能性がある。そこで、これらの遠方の惑星がどのような物質で構成されているのかを解明するため、ルケ氏と共同研究者のエンリク・パレ氏は密度の測定を試みた。

密度は遠くからでは直接測定できないが、惑星の質量と半径を使えば簡単に計算できる（質量÷体積が密度となる）。研究者らは、2018年に打ち上げられたトランジット系外惑星探査衛星（TESS）によって新たに検出された34個の惑星の半径と質量の測定値を使用して、これらの謎に包まれた小さな系外惑星の密度のサンプルを収集した。

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彼らの計算によると、赤色矮星の周りを回る惑星の種類を分けるのは半径の谷ではなく、密度だ。そして彼らは、これらの太陽系外惑星は岩石惑星、ガス惑星、または新しいタイプの水が豊富な惑星の3つのタイプのいずれかであると推測した。

「地球は水が豊富な惑星だと考えられるかもしれないが、地球上の水は地球全体の重量のわずか0.02％にすぎない」とルケ氏は言う。一方、これらの遠く離れた水惑星の密度は、その質量の約半分が水であることを示している。

しかし、岩石の核とその上に宇宙に露出した深い海の水が波打つ世界を想像し始めないでください、とルケは言います。「サンプルで確認されたのは、この水が地表にあるはずがないということです」と彼は言います。「水は地表の下に閉じ込められているか、マグマと混ざっているかもしれませんが、少なくとも地表では、非常に深い海の形にはならないでしょう。」

私たちの太陽系で、このような水が豊富な世界に最も近いものは、木星と土星の衛星です。たとえば、木星の衛星の 1 つであるエウロパには、全球の水の氷の殻の下に波打つ深い海があります。

ルケ氏によると、これらの太陽系外惑星は恒星に非常に近いため、表面の水は蒸発してしまうため、水氷の殻を持つ可能性は低いという。少なくとも、惑星の太陽に面した側ではそうだ。これらの惑星は、地球のように昼夜サイクルで自転することはない。その代わり、恒久的に明るい側と暗い側がある。しかし、ルケ氏によると、恒久的な薄明かりのような形で、明るい側と暗い側が出会う領域があり、その表面温度が液体の水が安定するのにちょうどよいかもしれないという。

居住可能な惑星を探す際、天文学者は通常、液体の水を基準とします。それは、私たちが知っている生命（つまり、地球上の生命。今のところ私たちが知っている唯一の生命）にとって、液体の水が不可欠だからです。

「この宇宙には生命のテンプレートが一つしかないので、それをテンプレートとして他の場所で生命を探すのです」とコッパラプ氏は言う。しかし、その定義によれば、ある場所を居住可能にするために必要なのは安定した液体の水だけではない。また、ある場所が生命を維持できるからといって、そこに何かが生息しているわけではない、と同氏は付け加える。

天文学者は、これらの遠方の惑星の居住可能性を調査するために、最近打ち上げられたジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) などのツールに頼ることになります。この望遠鏡は、太陽系外惑星の大気の化学組成を詳しく調べ、その組成についてより詳しい情報を明らかにすることができます。天文学者は、JWST などの望遠鏡を使用して、水蒸気を探し、H2O だけでなく、地球の大気中に存在するメタン、酸素、二酸化炭素、窒素などのガスの存在を確認します。

「居住可能な惑星がたくさんあるという証拠がどんどん見つかりつつあります。地球だけが特別なわけではありません」とコッパラプ氏は言う。彼は次のような例え話をする。「新しい地域に引っ越してきて、近所の人に自己紹介をしたいと思ったら、家はたくさんあっても、人はあまり見かけないかもしれません。つまり、私たちはたくさんの家を見つけているのです。あとは人を見つけるだけです」