失われた惑星の謎

太陽が形成された後、太陽の誕生の雲に残された塵とガスはゆっくりと渦を巻き、現在の8つの惑星へと変化しました。小さな岩石惑星は太陽の近くに、巨大なガス惑星は太陽系の遥か彼方に漂っていました。そして、銀河系の無数の恒星の周りで、このプロセスが繰り返され、様々なサイズの惑星が数多く形成されました。ただし、どうやら地球よりほんの少し大きいだけの惑星もあったようです。

クアンタマガジン

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。

NASAの最新の惑星探査望遠鏡であるトランジット系外惑星サーベイ衛星（TESS）は、着実に太陽系外惑星の数を増やしていますが、2017年に初めて特定された太陽系外惑星のサイズにおける謎のギャップは依然として存在しています。このギャップは、科学者たちが宇宙全体と私たちの身近な惑星の両方において、惑星がどのように形成されるのかを説明するために新たなアイデアを必要としていることを示しています。

天文学者たちは、2018年4月の打ち上げ以来、TESSを用いて最も近い恒星の周りを周回する数百の惑星候補を発見しており、その中にはこれまでに確認された24の惑星も含まれています。この銀河系には多くの小型惑星が存在するようで、特に地球の2倍から4倍の大きさの惑星や、地球と同程度のサイズの惑星が数多く存在します。しかし、何らかの理由で、半径が地球の1.5倍から2倍の惑星は稀です。

この範囲における惑星の少なさは、それを指摘した論文の筆頭著者にちなんで「フルトンギャップ」と呼ばれ、ケプラー宇宙望遠鏡の観測結果で初めて明らかになった。ケプラー宇宙望遠鏡は10年近く太陽系外惑星の探査を続け、その後TESSにバトンを渡した。TESSの統計データには、フルトンギャップを肯定も否定もするほどの十分な数の惑星がまだ含まれていないものの、この傾向は続いており、天文学者たちはこのギャップが消滅することはないと考えている。

マサチューセッツ工科大学の天文学者でTESSデータを扱うダイアナ・ドラゴミール氏率いるチームは、 4月にアストロフィジカル・ジャーナル・レターズ誌に掲載された論文で、例えば、隙間の両側に2つの惑星を持つ恒星系を発見したと報告した。1つは地球の半径の約2.6倍の「ミニ海王星」で、もう1つは地球の約90%の大きさの小さな地球型惑星である。後者は、TESSカタログに地球とほぼ同サイズの惑星として初めて掲載された。

ドラゴミール氏によると、半径の差は、惑星の形成過程と、初期段階で何が起こるかという両方の法則を示唆している可能性があるという。惑星の大気は半径のかなりの部分を占める可能性があるため、多くの仮説は、その大気に何が起こるかという点に集中している。ドラゴミール氏によると、一つの可能性は、中規模の岩石惑星で大気を持つものは存続できないという逆ゴルディロックスシナリオだという。「大気を保持できるほどの大きさになるか、中間のサイズだとおそらく大きさが足りず、すぐにすべて失ってしまうでしょう」と彼女は述べた。「まるで綱引きのようで、真ん中に留まるのは本当に難しいのです」

大気の何らかの損失は妥当な推測ではあるものの、それは3つの一般的な考え方のうちの1つに過ぎないと、MITの天文学者でTESSミッションの副科学ディレクターを務めるサラ・シーガー氏は述べた。別の説では、この隙間は惑星の起源に直接起因しており、おそらく恒星の誕生時に残されたガスと塵の位置や組成に起因していると考えられる。あるいは、3つ目の説では、惑星自身の冷却プロセスによって大気が蒸発する「コア駆動型質量損失」と呼ばれる現象が示唆されている。UCLAのアカシュ・グプタとヒルケ・シュリヒティングは昨年の研究で、一定の大きさの惑星が内部から宇宙空間に熱を放射すると、大気が吹き飛ばされ、惑星が半径の隙間の反対側に移動する可能性があることを実証した。

このギャップは、新たな統計パターンに詳細を加えるものだ。私たちの家のすぐ近くにある多くの太陽系外惑星系と同様に、天文学者たちは、より小さな惑星は主星の近くを公転し、より大きな惑星はより遠くにある傾向にあることを発見している。シーガー氏によると、小さな惑星が主星に近いことが、それらが小さい理由の一つである可能性があるという。遠く離れた兄弟のように最初は大きくても、主星の灼熱と紫外線によって大気を失い、その結果、多くの質量を失う可能性がある。
科学者たちは、これと似たようなことが火星にも起こったと考えている。火星は当初、より厚い大気を持っていたが、保護的な磁場を失うと、太陽はそれを自由にゆっくりと吹き飛ばすことができた。地球でさえ、今もなお水素の殻の一部を失っているとシーガー氏は述べた。

「これらの他の惑星系の中には、さらに深刻な初期の歴史を持つものもあるかもしれません」と彼女は述べた。「将来的には、その大気を調べたいと思っています。そうすれば、何か洞察が得られるかもしれません。」

様々な太陽系外惑星の組成について、シーガー氏は、天文学者はまだそれらのほとんどについて内部構造を解明できていないと述べた。しかし、研究者たちはその解明に取り組んでいる。地球の2～4倍の大きさを持つ惑星、いわゆる「スーパーアース」や「ミニネプチューン」は特に議論の的となっている。一部の天文学者は、これらの惑星は厚い水素ガスの大気に覆われた岩石の塊だと考えている一方、固体、液体、あるいは蒸気の水に覆われていると主張する天文学者もいる。

先月、シーガー氏の元教え子で現在ハーバード大学に所属するリー・ゼン氏率いる天文学者たちは、コンピューターシミュレーションの結果を発表し、これらのありふれた惑星は水惑星であることを示唆した。中には最大50%が水で構成されている惑星もあり、その形態は多種多様である可能性がある。ゼン氏によると、水は地下数千キロメートルまで液体のまま存在するか、あるいは新たに発見された「超イオン氷」と呼ばれる相のように、高圧の氷に圧縮されている可能性もあるという。

「これらの高圧氷は、本質的には地球の深部マントルにある珪酸塩岩石のようなもので、高温で硬いのです」とゼン氏はメールで述べた。「これらの海は計り知れず、底なしです。私たちの地球とは全く異なる世界です。」

ゼン氏は、これらのスーパーアースやミニネプチューンは太陽系の惑星よりも一般的であり、まさに故郷に勝る場所はないかもしれないと述べた。しかし、ドラゴミール氏はより慎重な見方を示している。ケプラーには豊富な惑星の中からパターンを見つけるのに10年近くを費やしたが、TESSはまだ始まったばかりだと彼女は指摘した。ケプラーが白鳥座の小さな空域を調査したのに対し、TESSはケプラーの視野の400倍にあたる全天を調査する。さらに、TESSは明るく近くの恒星に焦点を当てるため、地上の望遠鏡で追跡観測を行うことも可能になる。

ドラゴミール氏は、TESSによる遠距離の恒星を周回する惑星の長期観測を待ち望んでいます。これらの惑星は、単純な幾何学的形状のため、観測が困難です。TESSは、恒星の明るさの急激な変化（何かが恒星の前を通過することを示す）を観測することで、惑星の存在を検出します。恒星から遠距離を周回する惑星は、恒星の前を通過するまでに長い時間がかかるため、観測が困難になる長い急激な変化が生じ、恒星の光の減衰も少なくなります。

現時点でどのような種類の惑星が形成され、どのような種類の惑星が形成されないかについて確固たる結論を導き出すことは、「干し草の山の1パーセントを見て『ああ、針はない』と言うようなものだ」と彼女は語った。

WIREDのその他の素晴らしい記事

私が（今でも）テクノロジーを愛する理由：困難な業界を守るために
「ハートビート」法案は科学を完全に誤解している
中国の大規模監視活動の内幕
Squareの怪しい自動メールに激怒している
「誰かを殺したいなら、私たちが適任です」
🏃🏽‍♀️ 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。
📩 毎週配信されるBackchannelニュースレターで、さらに多くの内部情報を入手しましょう