これらの放浪惑星は惑星形成理論を覆す

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

パドヴァ大学の数学者ガリレオ・ガリレイが自作の望遠鏡を空に向けたとき、彼が見たものに圧倒されました。狩猟のベルトにあるおなじみの 3 つの星と剣にある 6 つの星に加えて、オリオン座に 500 個を超える新しい星が見つかったのです。

10月、天文学者たちはジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を用いて、剣状の天体の中心にある恒星の一つを拡大観測し、これまで見えなかった約500個の黒点を発見しました。これらの惑星は非常に小さく暗いため、恒星と惑星の境界が曖昧です。これはガリレオ・ガリレイを悩ませた曖昧さで、彼は1610年に著した天文学論文の同じページで木星の衛星を「恒星」と「惑星」の両方と呼んでいます。そして、この曖昧さは今もなお天文学者を悩ませ続けています。

「太陽系を見ると、すべてがきれいに見えます。太陽があり、惑星があります」と、欧州宇宙機関（ESA）の天文学者サミュエル・ピアソン氏は言います。中間の天体はありません。しかし、「実際に行って観察してみると、その間のあらゆる質量を持つ、実に様々な天体があることに気づきます」とピアソン氏は言います。

JWSTの観測は、巨大惑星と微小恒星の間のグレーゾーンに位置する孤立天体のリストを拡充するものです。これらの孤立した天体は、「自由浮遊惑星」や「放浪惑星」と呼ばれることもあり、宇宙空間を自由に漂っています。天文学者はこれらの暗黒のガス球の質量を推定できますが、その起源は依然として謎に包まれています。これらは実際には惑星、つまりかつて恒星を周回していたが何らかの理由で放出された「木星」なのでしょうか？それとも、発火に失敗した微小恒星のようなものなのでしょうか？

JWSTの観測は、この疑問に答えるどころか、謎をさらに深めるものとなった。望遠鏡の赤外線観測により、数十個の惑星がペアになって互いの周りを回っているように見えることが分かったのだ。これは、もし確認されれば予想を覆す不可解な配置となる。

「我々は何かを見逃している」とオランダのライデン天文台で惑星形成を研究する研究者、ニーンケ・ファン・デル・マレル氏は言う。「それが何なのか、まだ分からない」

これらのあり得ない2つの惑星は、恒星や自由浮遊惑星のいずれの既存の形成理論でも容易に説明できません。しかし、JWSTの発表から1週間以内に、研究者たちは、巨大惑星がどのようにして2つずつ母星系から放出されるのかを記述した大胆な新説を発表しました。これは、ほとんどの研究者がほぼ不可能と考えていた現象です。この提案が、薄暗く星のない惑星群のすべてを完全に説明できるかどうかはまだ分かりませんが、研究者たちは、自由浮遊惑星とそれらを形成する恒星系についてのより詳細な理解が間近に迫っていると期待しています。

「もし本当に（この発見が）確認されれば、本当に画期的なものとなるだろう」と、木星のペアの検出には関わっていないジョージ・メイソン大学の天体物理学者ピーター・プラフチャン氏は語った。

どこにでも暗い世界

自由浮遊惑星は、その極めて暗い性質のため、何世紀にもわたって天文学者の目に留まりませんでした。水素を融合させて明るく輝くには、恒星は少なくとも木星の80倍の質量を持つ必要があります。一方、放浪惑星ははるかに軽く、一般的に木星13個分未満の質量と定義されています。（木星13個分から80個分までの質量であれば、より重い水素を融合させることができ、褐色矮星、あるいは天文学者が時にロマンチックに「失敗した恒星」と呼ぶものに分類されます。）

実際、自由に動き回る惑星の相対的な不可視性から、かつて一部の天体物理学者は、これらの天体が暗黒物質（銀河をまとめていると思われる未確認の質量）を説明できるだけの十分な量存在するのではないかと考えました。この疑問から、天文学者たちは1990年代にそのような世界の兆候を探し始めました。彼らは、惑星の重力が、その前を通過した恒星の外観を微妙に歪ませる様子を観測することで、その兆候を探りました。こうした「マイクロレンズ法」による調査は間接的な性質のため、個々の自由浮遊天体を特定するには適していませんでしたが、暗黒物質を構成するのに十分な量ではないことを示しました。

漂遊惑星の最初の画像が得られたのが2000年代で、天文学者たちは形成時の熱によって赤外線で輝き続けるいくつかの天体を発見しました。これらの観測に基づき、その起源の一つの可能​​性が浮上しました。2010年には、フランスのボルドー大学のショーン・レイモンド氏をはじめとする天体物理学者たちが惑星系の進化のシミュレーションを行い、ある巨大ガス惑星が兄弟惑星を母系から追い出すという稀なケースにおいて、生き残った惑星の軌道が楕円形に引き伸ばされることを発見しました。天文学者たちはこうした歪んだ軌道を観測しており、レイモンド氏のグループや他の研究者たちは、これを過去の惑星間衝突による傷跡だと解釈しました。

自由浮遊惑星の最初の本格的なカタログは、惑星ハンターではなく、褐色矮星よりもさらに軽い恒星のような天体を探すスターハンターによって作成されました。ウィーン大学のヌリア・ミレット・ロイグとボルドー大学のエルベ・ブイは、さそり座で褐色矮星の中で最も矮小な天体を探していました。さそり座には、多くの恒星と惑星を生み出すガス状星雲があります。彼らは、8万枚の画像に映る2600万以上の赤外線の点の中から、20年にわたる観測で視野を横切って動く薄暗く輝く天体を探しました。2021年に、彼らは4～13木星質量の候補天体を約100個発見したと発表しました。これにより、既知の放浪惑星の数はおよそ5倍に増加しました。

分析対象となる浮遊物体が数個だけではなくなったことで、研究者たちはこれらの惑星がどこから来たのかという基本的な疑問を問い始めることができた。一つの可能​​性は、惑星と同様に、生まれたばかりの恒星を取り囲む円盤状の残骸から合体したというものだ。そして、レイモンドの2010年のシミュレーションのように、偶然の衝突によって放出されたという。

二つ目の可能性は、水素とヘリウムの孤立した雲が密度が高まり球状に崩壊した際に、単独で形成されたというものです。これは恒星の誕生過程であり、これらの世界は惑星というより、銀河系で最も小さな褐色矮星に近いと考えられます。

ミレット・ロイグとブイは、候補天体には両方の方法で形成された惑星が含まれている可能性が高いと結論付けました。最も軽い天体はおそらく押し出された惑星ですが、天文学者たちはあまりにも多くの惑星を発見したため、惑星の放出モデルだけでは簡単に説明できませんでした。

「自由浮遊惑星はたくさんある」とミレット・ロイグ氏は言う。「そしてそれらはおそらく異なるメカニズムで形成されるのだろう。」

両方の起源が混ざり合っている可能性が高い。しかし、100個の自由浮遊惑星のうち、いくつが惑星で、いくつが恒星のような惑星なのかは、研究者たちは明らかにできなかった。

ミレット・ロイグ氏とブイ氏が研究結果を発表した3日後、JWSTが打ち上げられ、自由浮遊惑星探査の新たな時代が幕を開けた。

木星の雫

天文学者たちは、JWSTが自由浮遊惑星探査機になるだろうと考えていた。地球の大気の暗い影をはるかに超えて位置し、巨大な鏡によって、前身のハッブル宇宙望遠鏡よりもはるかに高い感度で宇宙の微細な特徴を捉えることができる。さらに、赤外線も捉えられるため、薄暗く輝く惑星の発見にも最適だ。

ピアソン氏は、ESAの天文学者マーク・マコーレーン氏と共同で、これまで不可能だった自由浮遊惑星の探査に着手した。彼らは星形成と惑星形成に強い関心を持ち、褐色矮星のような、両者の間の「混沌としたグレーゾーン」にある天体をターゲットにしたいと考えていた。「そこは両方の世界の融合が生まれる場所です」とピアソン氏は語る。2022年10月、ピアソン氏とマコーレーン氏は、オリオン座のベルトから垂れ下がる剣状の星の中心にある恒星に向けて宇宙望遠鏡を回転させた。35時間にわたって。

ピアソン氏は、オリオン星雲のJWST画像12,500枚をピクセル単位で位置合わせするのに数ヶ月を要した。この困難な作業は、望遠鏡の極めて高い感度によって困難を極めた。通常、ランドマークとして使用される微かな天体の多くが、JWSTの超高感度の目には捉えられなかったのだ。

「普段は観測が難しい褐色矮星が検出器の一部を消し去っていたんです」と彼は言った。「他の望遠鏡ではこんな問題は経験したことがありませんでした」

宇宙のモザイクを完成させたピアソンは、探し求めていた謎の惑星を数多く発見するという報酬を得た。オリオン星雲には、木星質量の数倍の自由浮遊天体が500個以上点在していたのだ。しかし、真の驚きは、よく見てみると、最初は意味が分からなかったものを発見したことだ。光の塊の中には、木星質量の天体がペアになっていたものもあった。彼は合計で42組の渦巻く木星を数えた。これは驚くべき数字だ。

「ちょっと待って、どうしてこんなにかすかなものが2つずつあるんだろう？」とピアソンは思ったことを思い出す。「その時、ようやく気づきました。これは本当に注意深く観察する必要があると。」

理論的な観点から見ると、これらの2つの惑星はほぼあり得ないと思われた。追い出された惑星である可能性は低い。ある惑星が恒星系から別の惑星を蹴り出す場合、追い出された惑星はほぼ確実に単独で飛び去るからだ。しかし、恒星である可能性も低い。なぜなら、多くの惑星の質量は木星1個分ほどしかなく、ガス雲の崩壊から直接形成されたとは考えにくいからだ。研究チームはこの謎の2つの惑星を「木星質量連星天体（Jupiter Mass Binary Objects）」、略して「JUMBO」と名付け、10月2日に投稿されたプレプリント論文で詳細を説明した。

ジャンボ探査機は、星形成と惑星形成の専門家たちを驚かせた。「これは全く予測されていませんでした。これほど多数の、これほど幅広で自由に浮遊する惑星を予測する既存の理論は存在しません」と、エクセター大学の星形成を専門とする天体物理学者マシュー・ベイト氏は述べた。

天文学者たちは以前、多くの質量の大きな星がパートナーと共に宇宙空間を回転しているものの、結合した星の割合は質量とともに減少することを観測していた。「通常、この傾向は続くと予想しています」とファン・デル・マレル氏は述べた。したがって、木星質量の天体がペアになっている割合は「ゼロになるはずです」と彼女は述べた。10%まで跳ね上がることは、JWSTのビンゴカードには誰も予想していなかった。

問題は、少なくとも一部のジャンボは蜃気楼である可能性が高いということです。天体が塵の多い環境の奥深くにあるほど（オリオン星雲は非常に塵が多い）、星雲の背後にある遠方のより質量の大きい恒星（パートナーがいると予想される）との区別が難しくなります。過去の研究では、自由浮遊惑星のように見えたものの20～80%がバニラ星であることが判明しています。「現時点では少し慎重になる必要があります」とミレット・ロイグ氏は述べています。

ピアソン氏とマコーリアン氏は春に、JWSTを用いて、今回より豊かな色彩のスペクトルで、自由浮遊惑星群を再び観測する予定です。これらの追加観測は、木星質量惑星の特徴である大気中のメタンや水の痕跡を探すことで、どのジャンボが実在するかを確認するのに役立ちます。

「スペクトルを手に入れたら、隠れる場所はほとんどなくなります」とピアソン氏は語った。

高速シミュレーション

確証はないものの、理論家たちはすでにこれらの不可解な世界を説明するために競争している。

ストーニーブルック大学の天体物理学者ロザルバ・ペルナ氏は、ピアソン氏の論文を読む前から、オリオンのジャンボ衛星についてニュースで耳にしていた。ペルナ氏とネバダ大学ラスベガス校のイーハン・ワン氏は、恒星が他の太陽系を通過する際に何が起こるかを研究していた。彼らは主に、巨大惑星が1つだけ存在する系のシミュレーションに焦点を当てていた。しかし、ジャンボ衛星の登場をきっかけに、ペルナ氏は「巨大惑星が2つあったらどうなるだろうか？」と疑問を抱いた。彼女はワン氏に電話をかけ、シミュレーションに2つ目の木星を加えたらどうなるかを調べてほしいと依頼した。

王氏は、無数の木星系にあらゆる角度からデジタルの星を発射するプログラムを作成した。さらに、「侵入者」の星が両方の惑星を同時に宇宙空間に送り出すと通知するソフトウェアも構築した。これはジャンボ級の現象だ。その後、彼はコードを大学の計算クラスターに送信し、昼食に出かけた。

王氏がオフィスに戻りコンピューターを確認すると、「連星惑星が形成!!!」という警告のリストが見つかった。

研究チームは数百億回のシミュレーションから、木星のペアを放出するのは、惑星が接近して接近している場合、比較的容易であることを突き止めました。これは特に、軌道間隔が狭い隣の惑星（天王星と海王星など）で頻繁に発生しました。このような場合、100回の放出のうち最大20回で巨大惑星（ジャンボ）が放出され（残りの80回は単独の惑星）ました。これは、ピアソンがオリオン座で観測した10%の割合を説明するのに十分な数です。しかし、軌道間隔がより離れている惑星（木星・海王星など）では、ほぼすべての放出が単独の惑星に終わりました。

王氏の同僚である朱兆歓氏の助言を受け、研究チームは昼夜を問わず（ある時はヨーロッパへのフライト中も）、研究を続けた。3人は結果をまとめ、ジャンボ号の発見から1週間後の10月9日にプレプリントを発表した。

「彼らがそれを書いたスピードは少し恐ろしい」とピアソン氏は語った。

他の理論天体物理学者たちは、この新たな結果をまだ完全には受け止めていないものの、納得できるものであり、かつ驚くべきものだと考えている。「（惑星の放出という観点から）自由浮遊する2つの惑星を作ることは不可能だと考えていました」とレイモンド氏は言う。「しかし、この論文が発表されたのです」

それでも、恒星侵入説の詳細にはさらなる研究が必要だ。オリオン星雲は無数の星が飛び交う高密度の場所だが、数百万年以内に太陽系を形成し、その後分裂させるほど混沌としているのだろうか？また、ピアソンとマコーリアンが提案するジャンボの多くは、互いに非常に遠い距離を周回しており、冥王星と地球の距離の何倍も離れている。しかし、ワンのシミュレーションによると、これほど広い間隔でジャンボを形成するには、天文学者がめったに目にすることのない、同様に間隔が広い太陽系から出発するしかない。

「若い恒星の直接撮像探査から、（広い）軌道上に巨大惑星を持つ恒星はごくわずかであることが分かっています」とベイト氏は述べた。「オリオン座に、破壊されるほどの巨大な惑星系が多数存在したとは、到底考えられません。」

不正オブジェクトが多数

現時点では、多くの研究者が、これらの奇妙な中間天体を作る方法は複数あると疑っています。例えば、少し工夫すれば、超新星の衝撃波が小さなガス雲を圧縮し、予想よりも容易に小さな恒星のペアへと崩壊させる可能性があることを理論家たちは発見するかもしれません。また、王氏のシミュレーションは、巨大惑星がペアになって打ち上げられることは、少なくとも場合によっては理論的に避けられないことを示しています。

多くの疑問が残るものの、過去2年間に発見された多数の自由浮遊惑星は、研究者たちに2つのことを教えてくれました。第一に、それらは数十億年ではなく数百万年という短期間で形成されるということです。オリオン座では、ガス雲が崩壊して惑星が形成され、中にはおそらく、地球上で現生人類が進化を遂げていた時期に、通り過ぎる恒星によって奈落の底に引きずり込まれたものもあるでしょう。

「現在のモデルでは、100万年で惑星を形成するのは困難です」とファン・デル・マレル氏は述べた。「今回の発見は、そのパズルに新たなピースを加えることになるでしょう。」

第二に、宇宙には無数の非拘束惑星が存在する。そして、重いガス惑星は、その系から追い出すのが最も難しい。まるでボウリングの球をビリヤード台から落とすのが最も難しい物体のように。この観測結果は、木星が1つ発見されるごとに、海王星や地球のような自由に浮遊する惑星が数多く見過ごされていることを示唆している。

私たちはおそらく、あらゆる規模の追放された世界で溢れている銀河に住んでいるのでしょう。

ガリレオが地球の空に無数の光の点――月、惑星、そして恒星――に驚嘆してから約500年が経った今、後継者たちは、それらの間を漂う暗い天体の、氷​​山の一角ともいえる明るい存在に目を向け始めている。小さな恒星、星のない世界、目に見えない小惑星、異星の彗星など、実に様々な天体だ。

「恒星間にはたくさんのゴミがあることはわかっています」とレイモンド氏は述べた。「こうした研究は、自由浮遊惑星だけでなく、自由浮遊物全般について、あらゆる可能性を探る窓を開くものなのです」

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。