これら6つの太陽系外惑星は、どういうわけか完璧なリズムで恒星の周りを回っている

200 光年離れたところに、これまで発見されたどの惑星とも異なる惑星系があります。そこには少なくとも 6 つの世界があり、そのうち 5 つは特定の重力のタンゴで互いに固定されています。さらに奇妙なことに、これらの惑星は、ほとんどの太陽系が従う傾向にある標準的な配置を完全に無視して配置されています。TOI-178 と呼ばれるこのはみ出し者の集団は、惑星科学者に太陽系がどのように落ち着くかという理論を洗練させるよう求めています。

「これは画期的なシステムです」と、太陽系外惑星を特定した天文学者の一人であるスイスのジュネーブ大学の天文学者ネイサン・ハラ氏は言う。「今後研究されるものになるでしょう。」

TOI-178 は 2018 年に研究者の注目を集めました。NASA の太陽系外惑星探査衛星 TESS が、初めての惑星系を示唆する暗くなるパターンを持つ恒星を発見したのです。研究者が遠く離れた惑星を探すときは、恒星を観察し、惑星が自分の前を通過するときにそれを記録し、その結果生じる明るさの暗さを測定します。この系の 3 つの惑星のうち、2 つは 10 日間の単一の軌道を共有しており、一方が他方を追いかけて主星の周りを回っているようです。

この構成は、ヨーロッパの太陽系外惑星特徴づけ衛星（CHEOPS）で昨年8月に11日間の観測を行うに値するほど奇妙だった。これは、これまでCHEOPSの単一のターゲットに割り当てられた最大の観測時間である。

しかし、天文学者がデータを読み解くと、TOI-178 は見た目とは違うことがわかった。2 つの太陽系外惑星が 1 つの惑星のように見え、15 日と 20 日の軌道がちょうどいい具合に重なり、10 日ごとに恒星を覆い隠すという、まるで 1 つの世界であるかのように見えたのだ。「TESS データでは、真の惑星の 1 つが他の惑星の通過のちょうど 2 つの間に位置するという、極めてありそうもない配置が見られました」とハラ氏は言う。「1,000 分の 1 の確率で起こりました」

そして、観察を長く続けるほど、より多くの惑星が見えるようになった。CHEOPSの観測は、他の望遠鏡による中間研究を裏付け、最終的に約200人の天文学者の協力により、この系のより完全な図をつなぎ合わせることができた。TOI-178の恒星の暗くなりぐらつきは、密集した6つの太陽系外惑星の存在を明らかにした。最初の惑星は2日ごとに恒星の周りを猛スピードで走り回り、6番目の惑星は3週間かかる。（対照的に、水星は太陽の周りをほぼ3か月かけて公転する。）研究チームは月曜日にプレプリントでこの系について説明し、Astronomy and Astrophysics誌に掲載されることが承認された。

TOI-178 の最も興味深い特徴の 1 つは、その惑星のほとんどの動きが「共鳴」と呼ばれる現象で調和していることです。一握りの惑星を恒星の周りの軌道に放り込んだ場合、それらの年の長さはまったく関係がないと思われるかもしれませんが、実際にはそうではありません。天文学者は、音楽で音が並んで和音を形成するのと同じように、一定の間隔で隣の惑星と同じ配置を形成するように軌道を回っている惑星を頻繁に観測します (数学的に言えば、軌道周期の比率は単純な分数になります)。ヨーロッパ南天天文台が作成したこのビデオでは、TOI-178 太陽系外惑星の軌道がどのように揃っているかを確認し、天の歌を聞くことができます。

このようなシステムはさまざまな方法で形成されるが、共鳴している惑星は「互いに会話し合う」というのが一般的な考え方だと原氏は説明する。まるで「バネでつながっている」かのように。惑星が数周ごとに一列に並ぶと、重力で互いに引っ張るほどに接近し、どちらかが共鳴から外れることを防ぐ。

TOI-178では、最初の惑星を除くすべての惑星が近隣の惑星とペアになって共鳴の「連鎖」を形成している。この構造により、天文学者は失われた環を探しに行ったときに、実際に惑星の1つを発見することができた。

共鳴鎖は、この系の過去を垣間見る窓としても機能する。惑星間のつながりは弱く、太陽系でよくある出来事、例えば、通り過ぎる恒星とのニアミスや、ある惑星が別の惑星を吹き飛ばすといった出来事によって簡単に壊れてしまう。TOI-178 の繊細な鎖が生き残っていることは、原氏の言葉を借りれば、「過去 10 億年間にそれほど劇的なことは何も起こらなかった」ことを示唆している。

TRAPPIST-1 などの他のシステムは、印象的な共鳴の連鎖によって結び付けられていますが、TOI-178 を本当に際立たせているのは、その整然とした軌道と無秩序な配置との衝突です。

ほとんどの太陽系は、水星や金星などの密度の高い岩石惑星を恒星の近くに置きます。そして、惑星は外側にいくほど薄くなり、ガスが多くなります（木星は巨大ですが、密度は地球の 4 分の 1 しかありません）。研究者たちは、なぜこのようなことが起こるのかをまだ詳しく解明中ですが、一般的な理論では、内側の惑星はより高温になる傾向があり、ガスの多い大気が蒸発して、主に岩石の核が残ると考えられています。遠くの惑星も極寒の気温の恩恵を受けており、惑星形成プロセスで氷がより大きな役割を果たすようになります。

しかし、TOI-178 が形成されたときは、これらの基準を無視していました。最初は、恒星の近くに 2 つの巨大な岩石の地球があり、順調に始まりました。その後、状況はおかしくなります。3 番目の惑星は、システム全体で最もかすかな惑星で、木星よりも密度が低いです。次の 2 つの惑星では密度が急上昇し、海王星の密度まで少しジャンプし、火星の密度近くまで大きくジャンプします。最後の惑星は、すべての惑星の中で最も密度が低いです。

標準的な順序は規則というよりは示唆に近いが、TOI-178の存在は研究者に謎を提起している。特に、整然とした共鳴の連鎖により、惑星の最近の激しい再順序付けはありそうにないことを考えるとなおさらだ。「このように緩やかに進化してきたものが、どうしてこのような大きな[密度]の不一致を抱えているのか」と原氏は言う。「私たちはこれに慣れていないのです。」

理論家たちがこの系がどのようにして形成されたかを熟考する一方で、天文学者たちは TOI-178 の描写を拡大することを期待している。将来の観測キャンペーンでは、共鳴チェーンの拡張を試み、天体の和音に補完的な音色を加える追加の惑星を探すことになるかもしれない。(次の 2 つのリンクは、この恒星の居住可能領域内またはその付近に位置するだろう)。

主星も異常に明るく輝いており、これが原氏らが惑星の質量をこれほど正確に測定できた理由の 1 つだ。主星は非常に明るい光を発するため、近々打ち上げられるジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡で惑星の大気を推定できるはずで、研究者らは惑星がどのように形成されたかについてさらなる手がかりを得ることができる。

「これは共鳴系の中で最も明るい系であり、非常に豊富な追跡観測につながるだろう」と原氏は言う。