宇宙の「スーパーパフ」は、惑星の形成方法に関する私たちの理解を変えている

キャロライン・ピアレが、おとめ座の星の周りを公転し、約212光年離れたガス巨星WASP-107bと呼ばれる太陽系外惑星の観測を始めたとき、彼女が最も興味を持ったのは、その内部に何があるかを知ることだった。「私は基本的に、その大気が何でできているかについて、最も正確なデータを得たかったのです」と、モントリオール大学太陽系外惑星研究所の博士課程の学生であるピアレは言う。それを行うには、まずその質量を計算する必要があったと彼女は言う。これは、天文学者が太陽系外惑星の化学組成を分析するために使用する透過分光法を実施する際の日常的な作業である。しかし、ピアレが発見したものは、一部の惑星の形成方法についての天文学者の知識を覆すものだった。「私たちは、発見したものが見つかるとは思っていませんでした。」

これまで、惑星の形成は、太陽系で見られるパターンに従う傾向がありました。恒星が形成されると、原始惑星円盤と呼ばれる塵とガスの円盤に囲まれます。これが、最終的に惑星となるものの材料となります。天文学者が木星と土星について知っていることに基づく従来のモデルでは、円盤が消える前に十分なガスを集めるために、ガス巨星は地球の少なくとも10倍の質量の固体コアを持つ必要があります。その巨大なコアがなければ、惑星はガス巨星となる大きなガス外層を形成し維持することができない、と天文学者は考えていました。

しかし、WASP-107b はこれらの規則を破っています。大きさは木星に匹敵しますが、重さは 10 分の 1 で、海王星の質量に近くなり、「スーパー パフ」、つまりこれまでに発見された太陽系外惑星の中で最も密度が低いものの 1 つになります。ピアレ氏は、WASP-107b の核は地球の 4 倍以下の質量であると結論付けました。つまり、惑星の質量の 85 パーセント以上が、核の周りを渦巻く厚いガス層にあるということです。比較すると、海王星では、ガス層は総質量の 5 パーセントから 15 パーセントしか占めていません。

さらに事態を複雑にしているのは、WASP-107b が主星に非常に近いことだ。地球と太陽の距離の 16 倍以上で、公転周期はわずか 5.7 日だ。ピオーレ氏によると、この惑星がもともと現在の場所で形成されていたら、ガス惑星になることはなかったはずだという。「ガス惑星になるのに十分なガスを集めるには、非常に急速に起こらなければなりません」とピオーレ氏。「つまり、より冷たい環境で起こらなければならず、つまり主星から遠く離れている必要があるのです」。そうすると、WASP-107b の存在は意味をなさなくなる。

WASP-107b がどのように形成されたかを説明するために、ピアレ氏とチームは別の惑星、そしてこれまではより小さな「スーパーパフ」惑星にのみ適用されていた理論に目を向けました。天文学者たちは、WASP-107b の恒星を周回しているが公転周期が 3 年とはるかに長い別の惑星である WASP-107c が、偏心軌道、つまり楕円軌道を描いていることに気付きました。「それはこの系の歴史について何かを物語っています」とピアレ氏は説明します。WASP-107b は、おそらく現在よりも恒星から離れた場所で形成され、WASP-107c によって現在の軌道に投げ込まれたのです。WASP-107b の軌道は恒星に近いため円形に正規化されましたが、WASP-107c の偏心軌道は「系内で何が起こったかの記憶を保持しているようなものです」とピアレ氏は説明します。

「この研究は、巨大惑星がどのように形成され成長するかという基礎そのものに取り組んでいる」と、ピアレ氏の指導者であり、モントリオール大学の天体物理学教授であるビョルン・ベンネケ氏はプレスリリースで述べた。

WASP-107b の質量を確定する作業が完了した今、ピアレ氏は惑星が実際に何でできているかを突き止めるという当初の目標に戻ることができます。しかし、ピアレ氏は、このことが仕事への取り組み方を永遠に変えてしまったと言います。「このことで、惑星の形成についてもっと考えるようになりました」と彼女は言います。「以前はあまり考えませんでした。化学反応に重点を置きました。今は、内部構造から惑星の歴史について何がわかるのかを考えています。質量と半径は、皆さんが考えている以上に多くのことを教えてくれます。」