発見：太陽系外初の地球サイズの世界

白鳥座の赤みがかった太陽のような恒星を周回する、焦げた地球サイズの小さな惑星が 2 つ発見されたことは、ケプラー宇宙望遠鏡の伝説的なミッションにとって、またひとつの画期的な出来事となった。これらはこれまでに発見された太陽系外惑星の中で最も小さく、そのうちの 1 つは地球の 1.03 倍の大きさで、まさに地球そっくりだ。

これらの惑星は恒星の居住可能領域内にはないが、適切な大きさであり、そのため恒星間惑星のパズルをさらに埋めることになる。

これらの惑星は、3つの巨大ガス惑星に挟まれた奇妙な配置で存在し、いずれも水星の軌道内に収まっている。これらは約2年分のデータに埋もれており、天文学者はこれらが本当に惑星であることを確認するために、極めて精巧な計算技術を使わなければならなかった。

惑星の1つであるケプラー20fは、水蒸気の大気を持つ可能性があるが、天文学者も確かなことはわかっていない。わかっているのは、この惑星が地球よりわずかに大きい（そして質量もわずかに大きい）ということだ。

「これは宇宙で我々が観測した中で地球に最も近い天体だ」と、新世界に関する論文の主執筆者であるハーバード・スミソニアン天体物理学センターのフランソワ・フレッサン氏は語った。

どちらの惑星も、太陽よりわずかに低温のG型恒星ケプラー20の周りを公転しており、950光年離れている。（CfAが親切にも指摘しているように、スペースシャトルがケプラー20まで移動するには3600万年かかる。）

フレッシン氏はインタビューで、惑星の大きさと恒星の周りでの位置から判断すると、惑星の構成は地球に非常に似ているかもしれないと語った。ケプラー20に近いため、膨大な量の放射線にさらされ、恒星の風に耐えて水素やヘリウムなどの軽い元素を保持するには小さすぎるため、証拠からすると岩石質であることが示唆される。鉄やケイ酸塩が多量に含まれているかどうかは、成分の問題にすぎない。

これらの惑星は現在位置する場所で形成されたはずはなく、内側に移動したに違いないと同氏は述べた。ケプラー20fは誕生当初、相当量の水蒸気を含む大気を持っていた可能性があり、少なくともほとんどの惑星の居住可能性指標によれば、居住可能となる。

「もし本当に太陽系の外から移住してきたのなら、その初期には居住可能だった可能性がある」とフレッシン氏は語った。

この発見は、今月初めにケプラーチームが大規模なデータ公開を行った直後に行われた。そのデータ公開には、恒星の周りを地球のような場所で周回する初の地球のような惑星のニュースも含まれていた。その惑星、ケプラー22bは地球よりはるかに大きいが、液体の水が存在するのにちょうどよい温帯にある。ただし、表面が岩石質ではないかもしれない。これらの新しい惑星は水が存在するには高温すぎるが、岩石質でサイズが小さいという点で地球にかなり似ている。

「私はケプラー22bを片側に、そしてケプラー20eと20fをもう片側に、パズルの2つのピースとして考えています」とフレッシン氏は言う。「私たちは、居住可能領域にある地球サイズの惑星の発見を組み合わせる必要があります。」

ケプラーは、はくちょう座とこと座にある14万4000個の恒星の表面で明るさがわずかに変化する現象を探すように設計された。地球のような惑星を抱える太陽のような系を見つけることが目的だ。運用開始から2年で、宇宙の調査対象は2000を超える惑星にまで拡大し、その中には超木星、超地球、真っ黒で光と熱を吸収する世界などがある。しかし、地球の双子の惑星探しは困難を極めた。問題の一部は基準にあり、地球に似た惑星は、真に地球に似ているためには、同様の大きさ、位置、構成、自転など多くの要素が求められるとフレッシン氏は述べた。ケプラー22bを例に挙げよう。温度は適切だが、半径は地球の2.4倍なので、体積ははるかに大きい。

「地球の双子惑星がすぐに見つかるとは思えません。さまざまなレベルがあります」とフレッシン氏は言う。「居住可能領域にあり、適切な大きさの惑星だけでなく、恒星との類似性も必要かもしれません。大気中に何があるか分からなかったり、大気に制約がなかったりしたら、それが地球の双子惑星であるという正しい特徴を持っているとどうして言えるのでしょうか？」

これらの小さな惑星は、実は、すでに発見されている太陽系ケプラー 20 の最新の既知のメンバーです。最も大きい 3 つの惑星は、ケプラー 20b、20c、20d と命名され、直径はそれぞれ 15,000、24,600、22,000 マイルで、3.7、10.9、77.6 日周期で公転しています。CfA によると、ケプラー 20b の質量は地球の 8.7 倍、ケプラー 20c の質量は地球の 16.1 倍です。ケプラー 20d の重量は地球の 20 倍未満です。

これらの惑星は岩石とガスが交互に並ぶ非常に奇妙な体系で配列しており、これは天文学者がこれまで見たことのないものだ、とCfAの共著者であるデイビッド・シャルボノー氏は述べた。彼は仲間の天文学者に、その説明を手伝うよう呼びかけた。

「私のクラスの新入生は、今日発表された発見によって太陽系の形成モデルが大きな疑問を呈していることをすぐに指摘するだろう」と彼は語った。

フレッシン氏は、ケプラー20の小さな伴星はサイズが大きいため見るのが難しく、これまでの発見の試みは失敗に終わったと説明した。天文学者たちはケプラー20の表面を横切る通過惑星と思われるいくつかの点を観測していたが、1年前の分析では他の原因の可能性も排除できなかった。宇宙望遠鏡からの追加データとフレッシン氏と同僚による追加計算が、最終的な発見の瞬間につながった。

惑星が恒星の表面を横切ると、恒星はわずかに暗くなります。ケプラーはこれを検出するように設計されています。科学者は、背景の恒星、褐色矮星、食連星など、他の考えられる原因を除外する必要があります。惑星の存在を確認するために、天文学者は惑星の重力によって引き起こされる小さな揺れを確認します。これは、ハワイの巨大なケック望遠鏡を使用して地上から確認できます。しかし、この場合、新しい惑星は地上での検証には小さすぎました。

フレッシン氏は、CfAの天文学者ウィリー・トレス氏と共同で開発したBlenderというソフトウェアを使用した（このソフトウェアは、ケプラー22bを含む他の惑星の発見を検証するためにも使用されている）。フレッシン氏と約30人の共同研究者は、Blenderを使用して何百万ものシミュレーションを実行し、推定上の惑星以外の減光の原因を排除することができた。

これはすばらしいことだ。なぜなら、天文学者がこの新しい質量範囲の惑星、つまり地球サイズかそれより小さい小惑星に踏み込むと、観測しているものを検証するために高度な分析が必要になるからだ。この論文は、新しい計算手法と、ケプラー以前の古い恒星のふらつきの検査手法を組み合わせたものだ。

この研究は、本日、ネイチャー誌のオンライン版先行版に掲載されました。