この灼熱の惑星は、大気を失い、そして再び獲得したのか？

太陽系外約40光年に位置する岩石惑星は、主星に非常に近いため、地球の約1日半で一周します。表面の平均温度は530ケルビン（オーブンのブロイラーと同程度）に達し、科学者たちはマントルの厚さはせいぜい数百メートルで、卵の殻のようにひび割れていると考えています。

GJ 1132 bとして知られているこの惑星は、まさに地獄の底と言えるかもしれません。そして、その可能性は低いものの、太陽系外惑星研究チームは、この惑星に大気が存在する可能性があると考えています。正確には、2つ目の大気です。先週金曜日にThe Astronomical Journalに掲載された論文で、天体物理学者、地球物理学者、大気化学者からなるチームが、約99%が分子状水素で、その凹凸のある表面上には微量のメタン、アセチレン、シアン化水素が浮遊している大気を検出したと発表しました。

問題は、この惑星にまだ大気が存在するはずだと本気で考えている人は誰もいないということだ。研究者でさえもだ。「すべてを失ったはずだった」と、NASAジェット推進研究所で太陽系外惑星の大気を研究する論文共著者のライサ・エストレラ氏は述べている。実際、太陽系外惑星研究の別のチームがほぼ同時期に同じデータを用いた独立した分析結果を提出し、この大気が実際に存在するかどうかに疑問を投げかけている。

GJ 1132 bは、海王星直下型惑星として誕生したと考えられます。これは、ケプラー宇宙望遠鏡によって私たちの銀河系で最も一般的なガス惑星のクラスです。大きさは地球の1.5倍から3倍です。この惑星は、高密度の岩石核の周りを渦巻く水素とヘリウムの厚い大気に包まれていると考えられていました。しかし、主星に非常に近いため、研究者たちは、このガス層は誕生後最初の1億年間に強烈な紫外線によって燃え尽きてしまったと考えています。

理論上、この惑星に残っているのは不毛で放射線に汚染された岩石の表面だけであるはずだ。しかし、ハッブル宇宙望遠鏡による最近の観測は、異なる事実を示唆しているかもしれない。天文学者チームは、20周回と24時間の観測期間にわたり、望遠鏡の撮像分光器を用いて、惑星が主星を通過する際に大気に吸収された光の痕跡を捉えた。

GJ 1132 bの場合、得られたスペクトルは分子状水素の存在を示していました。地球の約19倍の太陽放射を受ける惑星にとって、この結果は不可解でした。水素は非常に軽いため、惑星の重力から容易に逃れることができます。水素分子は加熱されると膨張し、大気中で上昇し、最終的にはより小さな惑星の束縛から逃れられるほどの速度に達します。M型矮星からの強烈な熱によって、この惑星は不毛の殻と化していたはずです。

「このことから、本当に疑問が浮かび上がりました。私たちが見ている大気の起源は一体何なのか、と」と、JPLの天体物理学者で論文の筆頭著者であるマーク・スウェインは問いかける。「それが、この探究的な研究と、マントルから大気が再生する可能性の調査へとつながりました。」つまり、彼らは惑星が最初の大気を失った後、第二の大気が形成されたのではないかと考えたのだ。

スウェイン氏とエストレラ氏は、2018年と2019年に発表された2本の論文を参照した。これらの論文では、海王星近傍惑星のライフサイクルの初期段階、つまり原始大気にまだとどまっている段階では、溶融表面付近の圧力と温度が非常に高く、大気中に浮遊する水素のかなりの量がマグマの海に吸収されることが示された。惑星が冷え、厚い大気が燃え尽きると、この余分な水素の多くは凝固する表面の下に閉じ込められる可能性がある。「これを説明する理論は実は非常に新しいものです」とスウェイン氏は言う。「この理論を解釈し始めるまで、私はその理論に精通していませんでした。」

しかし、表面がすでに冷えていたとしたら、この膨大な水素貯蔵庫はどうやって逃げ出したのだろうか？フランスのグルノーブル・アルプ大学の研究者らが2018年に発表した論文では、この惑星の軌道構成を計算した。その結果、この惑星には顕著な離心率があることがわかった。離心率とは、惑星の軌道が完全な円からどれだけ外れているか、つまり楕円軌道がどれだけ潰れているかを表す指標だ。GJ 1132 bの離心率は水星と同程度で、水星は近日点、つまり太陽に最も近い地点では、最も遠い地点の2倍の太陽放射を受ける。恒星の重力によって惑星が引っ張られ、溶融した内部で摩擦が生じ、形状が歪むと考えられる。そして、それが地質学的に活発な惑星、つまり地表下の物質が惑星を通して押し上げられる惑星になる可能性がある。

木星の衛星イオでも同様のプロセスが起こっており、その表面には400以上の火山が点在しています。これは太陽系で最も地質学的に活発な場所です。もしGJ 1132 bも火山活動が活発であれば、この不安定性がこの惑星の新しい大気の形成に影響を与えている可能性があります。ケンブリッジ大学の大気化学者で、この論文のもう一人の著者であるポール・リマー氏は、化学コンピューターモデルを訓練し、惑星の大気で観測された条件を再現しました。「火山の頂上付近の化学反応がどのようになっているかを調べました」とリマー氏は言います。「一定量の炭素、水素、酸素、窒素が噴出している場合、それらは特定の方法で組み合わさろうとします。」

地球上の火山は主に二酸化炭素、水、硫黄を噴出します。しかし、リマー氏は、GJ 1132 bの火山は、この地中に埋もれた水素に加えて、メタンとシアン化水素も噴出している可能性が高いことを発見しました。これら2つのガスは、岩石惑星の地球型惑星では通常、同量に存在しません。「地球上で見られるものと比べると、非常に珍しい化学反応でした」と彼は言います。

しかし、地球のマントルには、似たような条件が見つかった小さなポケットが少なくとも一つあります。2016年、ある鉱山会社がイスラエル北部のカルメル山の地下で、ティスタライトと呼ばれる極めて希少な鉱物を発見しました。地質学者たちは、これが白亜紀に火山から噴出したもので、最初はほとんど酸素のないマグマの中で形成されたと結論付けました。「地球上では非常に珍しいものですが、GJ 1132 bでは惑星のいたるところに存在するはずです」とリマー氏は言います。この特異な火山活動は、理論的にはメタンとシアン化水素を同量生成する可能性があると彼は言いますが、それはまだ非常に概念的なものです。リマー氏は、この化学反応が妥当かどうかを判断するには、この惑星や類似の惑星の地球化学を研究するための作業がまだたくさんあると指摘しています。

ノースウェスタン大学の惑星科学者、スクリット・ランジャン氏は、以前リマー氏と共に金星の大気中のホスフィン（最近激しく議論されている主張）のモデル化に取り組んでおり、今回の発見は非常に刺激的だと述べています。ランジャン氏は、太陽系内にも水素に富む大気を持つ惑星の例は数多くあると指摘しますが、水素が優勢な岩石惑星はこれまで観測されていません。「これは事前に予測されたことではありません」とランジャン氏は言います。「一般的に、H₂（水素）優勢の大気を持つ惑星は、惑星の歴史の比較的早い段階で失われ、おそらく再生・維持できないだろうと考えられています。」

マックス・プランク研究所で太陽系外惑星の大気研究を率いるローラ・クライドバーグ氏は、結論を急ぐ前に、データの独立した分析結果を見たいと考えている。「データ処理には、予期せぬ凹凸や揺らぎを生み出す可能性のある小さな判断が数多くあります」とクライドバーグ氏は語る。「別のチームが独立した手法を用いてスペクトルを再現し、同じ結果が得られるかどうかを確認したいのです。」

実際、そのプロセスはすでに進行中です。先週、ローマ・ラ・サピエンツァ大学の天体物理学者ロレンツォ・ムグナイ率いる別の研究チームが、ハッブル宇宙望遠鏡による同じGJ 1132 bのデータを独自に分析した別の論文を発表しました。しかし、ムグナイ氏のチームがデータを分析したところ、この惑星のスペクトルは比較的平坦であることがわかりました。つまり、大気が検出できないということです。「分析が非常に難しいため、違いの原因を特定するのは非常に困難です」とムグナイ氏は言います。「細部にこそ謎が潜んでいることは分かっています。」

両チームは定期的に会議を開き、結果にこれほど大きな差が生じた原因を解明しようとしているが、マグナイ氏とスウェイン氏は共に、惑星が恒星の前を移動する際に太陽光の変化、いわゆるリム減光（リム・ダークニング）をどのように考慮しているかに問題があると考えている。「恒星の明るさは、中心から端まで均一ではありません」とスウェイン氏は言う。「惑星がどちらかの端に近い場合、惑星が遮る光が少なく見えるのは、惑星が恒星の他の部分よりも平均的に暗いためです。」

この効果を補正するために、研究者たちは星の減光と増光を考慮したモデルを用いてデータを処理する必要があります。両チームは同じモデルを使用しましたが、係数は異なっていました。現在、両チームは手法を入れ替え、相手チームの結果を再現できるかどうかを確認しようと計画しています。

それでも、マグナイ氏の論文の共著者であるダリウス・モディロウスタ＝ガリアン氏は、GJ 1132 bが主星に非常に近いため、第二の大気を形成するのに十分な水素を保持できた可能性は極めて低いと考えている。太陽系外惑星の研究者たちは、恒星からの放射線が大気の形成にどれほどの影響を与えるのか、まだ確信が持てていない。「私たちが採用しているアプローチは、実際には恒星からの放射線が非常に強く、惑星上の風を超音速にし、粒子の速度を極限まで高めることで、大気が蒸発してしまうというものです」とモディロウスタ＝ガリアン氏は言う。

モディルースタ＝ガリアン氏によると、この損失を克服し、第二の大気を形成するために必要な原始外層中の水素の量は、惑星の質量の数倍に達するだろうという。「私たちのモデルでは、惑星が水素の大気を持って誕生した可能性は否定できません」と彼は言う。「私たちが到達した結論は、現在、水素の大気は存在しないということです。」

それでも、両チームの研究結果を検証、あるいはさらに複雑化させるには、さらなる研究、そして理想的には10月31日に打ち上げ予定のジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡による新たな観測が必要です。GJ 1132 bが水素の大気を持つことが証明されれば、惑星科学者にとって新たな探査の道が開かれる可能性があります。第一に、これらの大気は、より重い元素でできた密度の高い外層を持つ小型惑星の大気よりもはるかに分析が容易です。水素の分子量が小さいため、大気はより広く、よりふっくらとしており、光が透過しやすくなっています。そして、それがより強い分光特性を生み出し、地球から読み取りやすくしているのです。

両チームは、ハッブル宇宙望遠鏡の可能性の限界に挑戦しています。ハッブル宇宙望遠鏡は2000年に打ち上げられ、天文学者が最初の太陽系外惑星を発見する2年前のことです。スウェイン氏によると、地球の1.16倍の大きさを持つGJ 1132 bは、これまでに公開された透過スペクトルを持つ最小の惑星です。「ここでのエキサイティングな点は、小惑星の研究において本当に重要な詳細について、より深く理解できるようになることだと思います」と彼は言います。

WIREDのその他の素晴らしい記事

📩 テクノロジー、科学などの最新情報: ニュースレターを購読しましょう!
あらゆる出会い系アプリのボスがパンデミックに遭遇したとき
お気に入りのフィットネスアプリやサービスで運動しましょう
運河を太陽光パネルで覆うことがなぜエネルギー源となるのか
近くにいる見知らぬ人からファイルを送られないようにする方法
助けて！同僚に自分が自閉症スペクトラム障害であることを伝えた方がいいでしょうか？
👁️ 新しいデータベースで、これまでにないAIを探索しましょう
🎮 WIRED Games: 最新のヒントやレビューなどを入手
🏃🏽‍♀️ 健康になるための最高のツールをお探しですか？ギアチームが選んだ最高のフィットネストラッカー、ランニングギア（シューズとソックスを含む）、最高のヘッドフォンをご覧ください