天文学者たちは、遠く離れた恒星系に海王星ほどの大きさの衛星を発見したと考えている。

地球から約 8,000 光年離れたところに、太陽とほぼ同じ大きさの恒星があります。私たちの太陽系と同様に、その遠い恒星の周りを木星とほぼ同じ大きさの惑星が回っています。しかし、類似点はそれだけです。その惑星の周りを回っているのは海王星サイズのガス巨星で、太陽系外で発見された最初の衛星であり、これまで観測された衛星の中で最大の衛星である可能性があります。

過去約20年間で、科学者らは3,800個近くの太陽系外惑星、つまり他の恒星の周りを回る惑星の存在を確認した。しかし、太陽系の惑星の周りを回る衛星は200個近くあることが分かっているが（木星だけでも少なくとも79個ある）、これまで研究者らは太陽系外惑星の周りの衛星をまだ発見していなかった。この発見は本日、 Science Advances誌に掲載された。

こうした「太陽系外衛星」を探すため、コロンビア大学の天文学者たちはNASAのケプラー宇宙望遠鏡が捉えた284個のトランジット惑星のデータを調査した。トランジット惑星とは、恒星と天文台の間を通過し、その結果恒星の光が一時的に暗くなる惑星のことである。彼らは恒星の周りを一周するのに30日以上かかる惑星に焦点を当てた。以前の研究では、それよりも短い時間で周回する惑星は恒星に近すぎるため、衛星が生き残ることはできないと示唆されていた。

科学者たちは、太陽系外惑星ケプラー1625bの周囲に衛星の存在を示唆する異常現象を発見した。この巨大ガス惑星は木星とほぼ同じ直径を持ち、白鳥座にある地球から約7,825光年離れた太陽質量の恒星ケプラー1625を周回している。

その後、研究者らはNASAのハッブル宇宙望遠鏡に約40時間の観測時間を要請し、その許可を得て、恒星の表面を横切る19時間にわたるケプラー1625bの観測を行った。ケプラーより約4倍精度が高いハッブル望遠鏡を使って、研究者らは系外衛星の存在を示唆する2組の明らかな兆候を検出した。「我々は、手元のデータから衛星の存在は優れた説明であると結論付けました」と、コロンビア大学の天体物理学者で研究の主任著者であるデイビッド・キッピング氏は述べた。（キッピング氏の系外衛星探索についてはこちらを参照。）

まず、太陽系外惑星が恒星の前を通過してから 3.5 時間後に、研究者たちは恒星の明るさが 2 度目に、しかもずっとわずかに減少したことを検出しました。これは、飼い主の後を追う犬のように、衛星が惑星の後を追っていたというシナリオを裏付けています。

第二に、天文学者たちは、惑星が予想より約 80 分早く通過を開始したことを発見しました。これは、衛星の重力によって惑星が予想位置から揺れ動くという図式と一致しています。原理的には別の惑星の重力によってもこの異常現象は発生する可能性がありますが、ケプラーは 4 年間のミッション中にこの恒星の周りに他の惑星が存在する証拠を見つけられませんでした。

「彼らは金脈を掘り当てたようだ」と、この研究には参加していないフランスのボルドー大学の天体物理学者ショーン・レイモンド氏は語った。「衛星はそこにあり、発見可能である。これは太陽系外惑星探査におけるエキサイティングな次のステップだ」

研究者らは、ケプラー1625b-iと名付けられたこの系外衛星の質量は、伴惑星の質量のわずか1.5%であると推定した。これは地球とその衛星の質量とほぼ同じ比率だ。しかし、それでもこの系外衛星は巨大である可能性がある。ケプラー1625bの質量は木星の数倍である可能性が高いため、その衛星の質量と直径は海王星と同程度である可能性がある。

この衛星の大きさは驚くべきもので、「太陽系の大きな衛星はどれも、その主惑星の質量のせいぜい1万分の1程度です」とレイモンド氏は言う。この2つの衛星は非常に大きいため、「連星系とみなすこともできる」とハーバード大学天文学部長のアヴィ・ローブ氏は言う。ローブ氏は今回の研究には参加していない。

「最も大きなものは最も簡単に見つけられるでしょう」とキッピング氏は言う。「これは特に一般的なタイプの月系を表しているわけではないかもしれませんが、私たちにとって最も見つけやすいというだけです。」

研究者らは、太陽系外衛星の軌道が地球から約 3,300 万キロ離れていると推定した。これは、太陽の重力で引き裂かれるほど近い可能性があることを意味する。しかし、研究者らが直接観測できるような、太陽系内にはこのようなものはない。惑星と衛星のペアの力学を研究するため、研究者らは 2 つの惑星と衛星がどのように相互作用するかを調べるためのコンピューター モデルを作成した。「行ったシミュレーションの約 4 分の 3 で、衛星は完全に安定していることがわかりました」とキッピング氏は述べた。「軌道が不安定であると信じる理由はありません。」

ケプラー1625bは、地球が太陽を周回するのとほぼ同じ距離を恒星の周りを回っている。そのため、この太陽系外惑星とその衛星は恒星のハビタブルゾーン内にある。ハビタブルゾーンとは、恒星の周囲で液体の水が存在できるほど暖かい領域である。地球上で水があるところならどこにでも生命が存在するため、地球外生命の探索はハビタブルゾーンに重点が置かれることが多い。

ケプラー1625bと、その新しく発見された衛星候補はどちらも巨大ガス惑星であるため、私たちが知っている生命が生き残るために必要な水域を維持することはできない。しかし、「この大きな惑星を周回する追加の岩石衛星があれば、それらは居住可能かもしれない」とローブ氏は述べた。「これは、この発見の今後の追跡調査で最もエキサイティングな見通しだ」

この系外衛星の可能性の大きさは、それがどのように形成されたのかという疑問を提起する。地球の衛星のように、いくつかの衛星は、伴惑星への巨大衝突の残骸から合体して形成されたと考えられている。海王星の衛星トリトンのように、他の衛星は、最初は独立した天体だったが、後に惑星の重力に捕らわれた可能性が高い。しかし、どちらのシナリオもこの系外衛星には当てはまらないようだと、コロンビア大学の天体物理学者で研究の筆頭著者であるアレックス・ティーチー氏は述べた。ガス巨星への衝突で衛星がどのように分裂するのか、あるいはこれほどの大きさの衛星がどのように捕らえられるのかは、予想が難しいからだ。

もう一つの可能​​性は、木星とその衛星の場合と同様に、この系外衛星が親惑星と同じ物質から形成された可能性だ。衛星形成の新しいモデルは、「衛星のごく一部は最終的に母惑星の質量の約1パーセントほどの大きさになる可能性があり、ケプラー1625bの場合もほぼその通りだ」とレイモンド氏は述べた。

キッピング氏は、将来的には、太陽系外衛星の探査では、地球と太陽の距離よりも遠くにある太陽系外惑星を観測することになるだろうと述べた。ハッブル宇宙望遠鏡やNASAが近々打ち上げるジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を使った探査では、木星最大の衛星よりも小さな太陽系外衛星が見つかる可能性もあると、同氏は付け加えた。

科学者たちは、この発見について依然として注意を促していると指摘した。「最初の系外衛星というのは明らかに異例の主張であり、異例の証拠が必要です」とティーチー氏は述べた。「さらに、この衛星の大きさは海王星とほぼ同じと計算されており、ほとんど予想されていなかったため、この点でも注意が必要です」

研究者たちはハッブル望遠鏡を再び使ってケプラー1625bを監視し、系外衛星の存在を確認したいと考えている。