天文学者、近くの恒星系で「スーパーアース」のペアを発見

ケプラーやトランジット系外惑星探査衛星 (TESS) などの宇宙望遠鏡により、太陽系外惑星の探索は産業化されました。これらの望遠鏡の機械の目は数千の星を同時に観測し、ソフトウェアは山ほどのデータを効率的にふるいにかけ、最も有望な星のちらつきや揺れだけをハイライトして手動で確認します。このプロセスは、組立ラインが製造業に革命を起こしたのと同様に、惑星科学に革命を起こしました。最初の太陽系外惑星の発見からわずか 28 年で、NASA のカタログには 3,000 を超える系にまたがる 4,000 を超える太陽系外惑星が満載されています。

ドイツのゲッティンゲン大学天体物理学研究所の研究員サンドラ・ジェファーズ氏は、より特化したアプローチをとっているチームの一員で、近い将来直接研究できる可能性のある高品質の太陽系外惑星のターゲットを求めて近くの恒星を一つずつ探している。数十年分のデータに基づく長年の分析により、これまでで最も有望なターゲットの1つが発見されたと、同研究チームは木曜日にサイエンス誌で発表した。2つ、あるいは3つの「スーパーアース」が、地球からわずか11光年離れた明るいが静かな赤色矮星の周りを回っている。天文学者は通常、太陽系外惑星の軌道や大きさ以上のことを推測するのに苦労するが、いわゆるグリーゼ887系の特徴の組み合わせは珍しいため、今後登場する望遠鏡は惑星の周囲のガスに関する情報にアクセスでき、それによって惑星の気候についても何かを知ることができるかもしれない。

「太陽系外惑星の大気を理解する上で、これが太陽に最も近い星として最適であることはわかっています」とジェファーズ氏は言う。

ジェファーズ氏は、太陽から約 16 光年以内の星をターゲットとする共同プロジェクト「RedDots」を率いています。このプロジェクトの名前の由来は、これらがほとんどが暗い赤色矮星だからです。ジェファーズ氏は、近くの星の観測結果を記録していると思われる天文学者を会議で何年も探し、協力を呼びかけてきました。グリーゼ 887 の場合、ジェファーズ氏は、20 人以上の研究者が数台の望遠鏡で行った 20 年間の研究成果を表すデータセットをなんとかまとめました。「太陽系外惑星の分野は熾烈な競争になりがちですが、このチームとの仕事は非常に協力的でした」と彼女は言います。

研究チームは2017年に惑星の存在を示唆する兆候を発見したが、その観測は散発的すぎて決定的なものにはならなかった。2018年秋、研究チームはチリに再び赴き、高精度視線速度惑星探査機（HARPS）を使ってほぼ3か月間毎晩グリーゼ887を観測した。

それが功を奏した。タイムラプス映画に似た視覚化によって、研究チームはグリーゼ 887 が揺れていることをはっきりと確認できた。具体的には、約 9 日ごと、および 22 日ごとに上下に揺れていた。これは、近くにある 2 つの惑星の紛れもない兆候であり、研究チームは、それぞれ地球の少なくとも 4 倍と 7 倍の重さがあると結論付けた。どちらの惑星も太陽に近すぎるため、表面に水が存在する可能性は低いが、研究チームは、この恒星の温帯で 50 日周期で公転する可能性のある惑星の暫定的な兆候、つまり 1 回の揺れにも気づいた。研究チームはその後、さらに 2 か月間の観測のために戻ってきており、今後の論文でさらに数値計算を行って、3 番目の惑星の存在を証明または反証するには十分なはずだ。

確認された 2 つの惑星は、私たちが知っている生命を快適に宿すには暑すぎるように思われるが、この系は観測上は夢のようだ。わずか 11 光年離れているだけでなく (最も近い恒星系は 3 倍近いが、多くの太陽系外惑星は数百から数千光年離れている)、グリーゼ 887 は異常に冷たい恒星である。短気な赤色矮星の多くとは異なり、太陽黒点はほとんどなく、めったに爆発しない。その穏やかな性質により、実用的にも (より穏やかな恒星は、惑星の特徴を完全に消し去ることなく、きれいに見せる真っ白なキャンバスのようなもの)、科学的にも (大規模な太陽フレアで惑星の大気を剥ぎ取る可能性が低いため)、理想的なターゲットとなっている。

現在の望遠鏡では、そのような惑星の周囲の大気をはっきりと見ることはできない。なぜなら、そのような惑星は主星の真前を通過しないからだ。この特殊なケースのおかげで、天文学者は他の太陽系外惑星の大気をのぞき見ることが可能になった。しかしジェファーズ氏は、次世代の望遠鏡がそれを変えると期待している。「これは、来年打ち上げ予定の [ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡] にとって理想的な科学的ケースです」と彼女は言う。

他の研究者たちは慎重ながらも楽観的だ。「これは良いものだ」とNASAエイムズ研究センターの天体物理学者で、宇宙に浮かぶハッブルの後継機が太陽系外惑星の大気の研究にどのように役立つかを研究しているトーマス・グリーン氏は言う。「最初の疑問は、その衛星に大気があるかどうかだが、JWSTはその答えを見つけられるはずだ」

具体的には、JWST は、惑星が地球に昼の面と夜の面を交互に見せながら、太陽系全体の微細な温度変化を観測できるはずだ。大気のないむき出しの岩石惑星は、激しい温度変化を経験するはずだ。これは画期的な研究だが、容易なことではない。「これは、多くの時間を要する難しい観測になるだろう」とグリーンは警告する。研究者は、HARP 観測のときと同じように、各惑星の複数の軌道にわたって太陽系をじっと見つめる必要がある。

JWST でさえ、個々の惑星を見つけ、これらのスーパーアースを包んでいる特定のガスを見つけられるほど鋭い視力はないだろう。こうした研究は、10 年後には稼働を開始する可能性がある巨大マゼラン望遠鏡や 30 メートル望遠鏡などの次世代地上望遠鏡を待たなければならないかもしれない。これらの望遠鏡は、JWST よりも解像度が高く、長期プロジェクトでは (やや) 競合が少ない観測時間で観測できるため、惑星からの直接光を十分に集めて、水、酸素、そしておそらくメタンの兆候を見つけることができるはずだとグリーン氏は言う。これらの近傍惑星自体は生命が存在する最有力候補ではないかもしれないが、直接撮影するには遠すぎる他の太陽系外惑星の性質を知るための窓として役立つ可能性がある。

異星の大気を理解することは、太陽系外惑星科学の次のフロンティアの 1 つです。位置と大きさから推測できる世界は限られていますが、その周囲にある分子を知ることで、研究者は気候を予測できるようになります。たとえば、グリーゼ 887 の 2 番目の惑星は、熱を拡散させる大気があれば、ある程度住みやすい場所になる可能性があるとジェファーズ氏は言います。「惑星の実際の表面では、暑いビーチの日になるかもしれません」と彼女は言います。

JWST の打ち上げと地上の巨大望遠鏡の建設が進むのを待つ間、RedDots チームはできるだけ多くの近隣のターゲットを準備することに集中し続けている。チームはすでにプロキシマ・ケンタウリ (4 光年離れている) とバーナーズ星 (6 光年離れている) の周りの惑星を発見しており、今後も体系的に探査を続け、最も近い隣人を 1 つずつ発見していくつもりだ。

「すべてを手に入れることが私たちの長期目標です」とジェファーズ氏は言う。