惑星を作るのに十分な材料がない場合はどうなりますか?

レゴブロックが山積みになっていると、作れるものにはさまざまな可能性があります。レゴがほんの少ししかない場合は、なくなる前に 1 つの作品を組み立てることができるかもしれません。しかし、山が減っていくと、ある時点で、何か面白いものを作るのに十分なレゴがなくなり、積み上げるためのブロックが 1 つか 2 つしか残らなくなります。

惑星を作る過程は、実はレゴの作品を作ることに似ている。NASAのトランジット系外惑星探査衛星（TESS）の観測結果を使用した天文学ジャーナル誌の新しい研究では、地球のような岩石惑星を作るのに適した元素がまったく足りないという、これまでに見たことのない限界が明らかになった。

恒星とその惑星は、宇宙に漂う巨大なガスと塵の雲から形成されます。まず、雲の中心が重力によって崩壊して中心の恒星を形成し、次に残りの物質が合体してその中心の周りを回る惑星になります。ここで重要なのは、恒星とその惑星は同じ物質から形成されるということです。つまり、恒星に見られる元素の混合は、その系で惑星に利用できる構成要素について教えてくれるのです。

恒星に含まれる金属（天文学用語では水素とヘリウムより重いものすべてを指す）の量は、その恒星の金属量として知られている。恒星の金属量は「恒星、円盤、惑星のあらゆる種類のシミュレーションを行うときに最初に調整するノブの 1 つです」と、この新しい研究には関与していないカンザス大学の天文学者ジョナサン・ブランデ氏は言う。

金属量は、宇宙の寿命という観点から見て、星の年齢も教えてくれる。重い元素は星の中心部や、最も大きな星の壊滅的な超新星爆発で形成されるため、こうした物質を作るには時間がかかる。そのため、天文学者は、星の第一世代は金属量が低かったと予想している。「誕生時に形成された重い元素が少なかった」からだ、とブランデ氏は付け加える。

太陽系でわかるように、惑星は主に水素とヘリウム以外の元素で構成されています。したがって、天文学者は長い間、金属量が少ない恒星は惑星を作るための元素の構成要素が少ないため、惑星の数が少ないと理論づけてきました。また、観測により、木星のような惑星は「金属量と強い相関関係があり、金属量が低いほど、惑星が形成される可能性が低い」ことが示されています、とオハイオ州立大学の天文学者で筆頭著者のキルステン・ボレイ氏は説明します。

しかし、金属量が低いほど惑星の数が少なくなるという傾向は、永遠に続くはずがない。ある時点で、惑星サイズの物体を作るための宇宙のレゴブロックがなくなるだろう。しかし、これまで、恒星が惑星の建設資材を使い果たすポイントであるこの「金属量の崖」の証拠を実際に見た人はいなかった。

「金属量が少ないということは惑星の数が少ないということ」という論理に従い、ケプラーのようなこれまでの太陽系外惑星探査望遠鏡は、太陽に似た恒星を特にターゲットにしていました。この戦略は、新しい惑星を発見する可能性を高めることを目指していました。その結果、既知の太陽系外惑星の多くは、太陽と非常に似た量の金属を含む恒星を周回しています。

NASA の新しい太陽系外惑星専用衛星 (ケプラーの後継機) TESS は、異なる計画に従っていました。「TESS はゲームチェンジャーでした」と Boley 氏は言います。このミッションは、夜空全体であらゆる種類の星を観測し、銀河のさまざまな部分、さまざまな種類の星の周りなどにある太陽系外惑星の様子を示しました。

「キルステンはTESSを使って、最も金属の少ない10万個の恒星で小惑星を探しました」と、NASAの太陽系外惑星科学研究所の主任科学者で、この研究の共著者でもあるジェシー・クリスチャンセン氏はXで説明した。「ケプラーとK2の金属量の傾向が、太陽の約3分の1の重元素を持つ恒星を超えて続いていたとしたら、彼女は68個のスーパーアースを発見していたはずです。」

「68個です」とクリスチャンセンは強調した。「彼女はゼロを見つけました」

明らかに、構成要素が尽きてしまう限界がある。「他の種類の惑星と同様に、金属の少ない恒星ではスーパーアースの形成も困難です」とボリー氏は言う。

最初の恒星に金属がほとんどなかったことを考えると、それらの恒星には惑星がなかった可能性がある。「惑星は、銀河の寿命のほぼ半分にあたる約70億年になって初めて形成され始めた可能性が高い」とボリー氏は付け加える。

これは、私たちの天の川銀河に生命がどれくらい長く存在していたかという興味深い意味合いを持つ。「地球上で生命が誕生したのは、約30〜40億年前の誕生から10億年以内であることがわかっています」とブランデ氏は言う。TESSから得られた新しい情報に基づくと、地球上の生命は「銀河の条件を考えると、おそらく最も早く誕生した」ことを意味すると同氏は付け加えた。