この巨大な太陽系外惑星には輝く大気がある

巨大ガス惑星である木星を想像してください。木星が現在の 5 倍以上に膨張します。さらに太陽が十分近くにあるため、木星の大気の表面温度は華氏 4,600 度まで上昇します。

「ホット ジュピター」として知られる WASP-121b をご紹介します。これは太陽系外惑星で、地球から 900 光年離れたところにあり、成層圏という驚くべき特徴を地球と共有しています。

今週Nature 誌に発表された研究で、研究者らはハッブル宇宙望遠鏡を使用して WASP-121b の成層圏を可視化しました。成層圏は太陽系外の惑星ではこれまで説得力のある形で示されたことがなかった外層大気です。成層圏がどこにあるのかを少し説明すると、飛行機に乗っているときに成層圏を訪れたことがある可能性が高いでしょう。地球では、成層圏は対流圏（私たちが住んでいる場所）の上、大気の最外層の下にあります。成層圏の特徴は、外側に行くほど気温が高くなることです。

「太陽系外惑星の大気でこのようなことが起きると予想する理論的根拠はあった」と、この研究の筆頭著者でエクセター大学の研究員であるトーマス・エバンズ氏は言う。「しかし、これらの太陽系外惑星は遠く離れた異質な天体だ。その大気が実際にどのようなものかを予測するのは常に難しい」

WASP-121b の大気の挙動を理解するために、科学者たちは太陽系外惑星の大気中の水分子が発する赤外線を観察した。この放射線の放出は、水分子が大量のエネルギーを繰り返し吸収して放出しているときに発生する可能性がある。たとえば、非常に高温の環境にある場合などだ。人間の目は狭い範囲の光波し​​か検出できないため、赤外線を見ることはできない。しかし、ハッブル宇宙望遠鏡にとっては、それは問題ではない。

ハッブルが捉えたものは驚くべきものでした。水分子が光っていたのです。燃えるろうそくや熱い石炭の脈動のように、上層大気が光っているということは、大量のエネルギーや熱が吸収されるのではなく放出されていることを意味します。これは、WASP-121b には惑星の表面から離れるほど暖かくなる成層圏があることを示しています。これらの放射に基づくと、成層圏全体の温度は華氏 1,000 度上昇します。

しかし、よく考えてみると、それは完全には意味をなさない。なぜなら、華氏マイナス 500 度近くある宇宙は、とてもとても寒いからだ。その極寒の空間に向かって飛び出せば、もっと寒くなるだろうと予想される。地球では、大気層内のオゾンにより、成層圏は逆温度勾配になっている。オゾンは太陽の紫外線を吸収して、外層成層圏を温める。しかし、それは地球であって、遠く離れた「ホット ジュピター」ではない。では、なぜ WASP-121b は、はるかに小さく岩石の多い私たちの惑星のような成層圏を持っているのだろうか。

研究者たちは、この疑問にまだ答えを出そうとしている。WASP-121bの大気中の化合物、酸化チタンと酸化バナジウムが、その外層を温かく保っているのではないかと研究者たちは考えているが、それを解明するにはさらなる研究が必要だ。

太陽系外惑星の大気を理解することが必ずしも我々の太陽系を理解するのに役立つわけではないが、研究者たちはそれよりも大きなことを考えている。技術はまだそこまでには至っていないが、エバンズ氏は科学者たちがいつかもっと小さな太陽系外惑星の大気を研究し、生命を育むことができるかどうか調べられるようになることを期待している。太陽系の惑星に焦点を合わせると、学べることの範囲が限られてしまうとエバンズ氏は言う。

「惑星の大気には幅広いスペクトルがあります」とエバンズ氏は言う。「より完全な理解を深めるためには、この膨大な数の太陽系外惑星を調査する必要があります。」

そして、ハッブル宇宙望遠鏡の最新スピンオフであるジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が来年打ち上げられる準備が整っており、この研究には最適な時期です。