ウェッブ宇宙望遠鏡が太陽系外惑星の初写真を撮影

天文学者たちは、NASAのジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）が撮影した太陽系外惑星の初写真を公開した。この画像には、木星の7倍の重さを持つ明るい塊状の惑星が、地球から約400光年離れた恒星を周回している様子が映っている。この画期的な成果は、JWSTによる太陽系外惑星に関する一連の初期発見の最新のものであり、将来の宇宙望遠鏡による地球型惑星の直接撮影を可能にする技術の試金石となる。

「とても興奮しています」と、カリフォルニア大学サンタクルーズ校の天文学者で、この画像を処理したチームの一員であるアリン・カーター氏は語った。「正直言って、結果は素晴らしいです。」

数十年かけて開発が進められてきた望遠鏡「JWST」は、2021年12月に打ち上げられ、現在地球から100万マイル（約160万キロメートル）離れた場所に浮かんでいます。この夏、本格的な運用を開始しました。宇宙の夜明けに遠方の銀河を観測し、木星の素晴らしい画像を撮影するなど、初期の成果も得られています。天文学者によると、この望遠鏡は太陽系外惑星の観測において予想の10倍の性能を発揮しています。

8月31日にオンライン掲載された論文で説明されているこの新しい画像は、英国エクセター大学の天体物理学者サーシャ・ヒンクリー氏が率いるチームによるものです。研究者たちは、JWSTを高速自転する恒星HIP 65426に向けました。この恒星には惑星が存在することが知られており、チリの超大型望遠鏡（VLT）に搭載された分光偏光高コントラスト系外惑星探査装置（SPHERE）によって2017年に初めてこの惑星が撮影されました。ヒンクリー氏のチームは、JWSTがHIP 65426 bと呼ばれるこの惑星を観測できるかどうかをテストし、その特性を明らかにしようとしました。

天文学者たちはこれまでに約24個の太陽系外惑星を直接撮影してきましたが、JWSTは幅6.5メートルの六角形鏡を搭載することでその能力を大幅に向上させ、地上のどの観測所よりも優れた観測を実現します。「これは希望の光です」と、カリフォルニア大学天文台の次期所長に就任する天体物理学者のブルース・マッキントッシュ氏は述べています。

ホットヤングジャイアント

HIP 65426 bを撮影するために、JWSTはコロナグラフと呼ばれる小さなマスクを用いて主星の光を遮った。これにより、周回する惑星が明らかになった。その光は、主星の数千倍も暗く、「サーチライトの周りを飛ぶホタルのように」暗いとヒンクリー氏は語った。

HIP 65426 bは、地球が太陽を一周する距離の約100倍の距離を主星から周回し、一周するのに630年かかります。この距離は、主星のまぶしさに逆らって惑星を観測しやすいことを意味します。さらに、この惑星の極めて高い熱と明るさ（約900℃という灼熱の温度、わずか1400万年前の形成時の熱が残っている）と相まって、直接撮像の最適なターゲットとなっています。「ろうそくの炎と同じくらいの温度です」と、チームの共同リーダーであるエディンバラ大学の天文学者ベス・ビラー氏は述べています。

JWSTの大きさと感度により、この惑星からこれまでのどの観測所よりも多くの光を集めることができました。（JWSTの写真がSPHEREのものよりも粗く見えるのは、JWSTがより長い赤外線波長を観測しているためです。）これにより、ヒンクリー氏、ビラー氏、そして彼らのチームは惑星の質量の推定精度を向上させることができました。彼らはそれを木星の約7倍と推定しました。これはSPHEREの推定値である約10倍よりも小さいものです。彼らの結果は、惑星の半径を確定するのにも役立ち、木星の1.4倍となっています。惑星進化に関する単純なモデルでは、この惑星の特性の組み合わせを簡単に説明することはできません。カーター氏は、この精密な新データによって科学者たちはモデル同士を検証し、「理解を深める」ことができると指摘しました。

HIP 65426 bの表面の特徴は画像では確認できないが、ビラー氏は、温度や組成の変化によって帯状に広がり、木星のように「おそらく縞模様に見えるだろう」とし、大気中には嵐や渦によってできた斑点があるかもしれないと述べた。

この巨大惑星は、私たちが知る生命にとって住みにくい惑星​​ですが、科学者たちがより深く知りたいと切望している巨大惑星の典型です。木星はおそらく私たちの太陽系の形成に重要な役割を果たし、地球上の生命の定着を可能にしたと考えられます。「他の太陽系でも同様の結果が得られるかどうかを知ることができれば嬉しいですね」とマッキントッシュ氏は語りました。

JWSTは予想をはるかに上回る安定性を備えているため、科学者たちは、予想よりも小さな太陽系外惑星、おそらく木星の質量の3分の1ほどの惑星の撮影が可能になるはずだと述べている。「海王星や天王星のように、これまで直接撮影できなかった天体の画像も撮影できる可能性があります」と、JWSTを運用するメリーランド州宇宙望遠鏡科学研究所の天文学者エミリー・リックマン氏は述べた。

JWSTのコロナグラフが実地試験に合格した今、ヒンクリー氏は天文学者たちがこれを使って別世界の写真を撮影しようと列をなすだろうと考えている。彼は、望遠鏡の寿命が尽きるまでに「間違いなく数十個」のコロナグラフが見られると予想している。「数百個くらいになればいいなと思っています」

遠くの空を覗く

太陽系外惑星の写真に加え、ヒンクリー氏のチームは近日中に、伴星を周回する褐色矮星（別名「失敗した星」）とみられる天体の大気中に、分子の配列を発見したことを発表する予定だ。この天体は木星の約20倍の重さで、核融合が始まる閾値をわずかに下回る質量を持つ。

JWSTに搭載された分光法と呼ばれる光の周波数を分析する装置を用いて、科学者たちは水、メタン、二酸化炭素、ナトリウムを発見しました。これらはすべて、これまでにないほど詳細なレベルで明らかになりました。また、褐色矮星候補の大気中には、煙のようなシリカの雲も検出されました。これは、このような天体では以前から存在が示唆されていたものの、確証されたものではありません。「私の考えでは、これは恒星間伴星で得られたスペクトルの中で、これまでで最も素晴らしいものです」とヒンクリー氏は述べています。「このようなものはこれまで見たことがありません。」

この発見は、2週間前に別の天文学チームがJWSTを用いて、地球から650光年離れたWASP-39 bという巨大な太陽系外惑星で二酸化炭素を検出したという発表に続くものです。太陽系外惑星でこのガスが観測されたのはこれが初めてです。また、大気中に謎の分子も発見されました。同じチームは現在、さらに2つの巨大惑星の研究を行っており、数ヶ月以内に結果が出ると予想されています。これらの巨大ガス惑星の大気組成のほぼ完全な全体像を解明するのに役立つでしょう。「これがジェームズ・ウェッブの力です」と、シカゴ大学の天文学者でチームの共同リーダーであるジェイコブ・ビーン氏は述べています。

サンタクルーズ研究所の天体物理学者でチームリーダーのナタリー・バターリャ氏によると、今回の観測によって「化学物質の目録」も作成され、JWSTが地球に似たより小さな岩石惑星の空で何を検出する可能性があるかを示すことができるという。バターリャ氏によると、チームは今後の巨大ガス惑星の観測で「JWSTを限界まで追い込む」計画で、それによって「地球型惑星で何ができるか」が明らかになるという。

他のチームは、比較的近い赤色矮星TRAPPIST-1のJWSTによる初観測を実施しています。TRAPPIST-1は、地球サイズの岩石惑星7つが周回する恒星です。これらの惑星のいくつかは恒星のハビタブルゾーンにあり、液体の水、さらには生命が存在する可能性のある条件が整っています。JWSTは惑星を直接撮影することはできませんが、分光法によって大気中のガスを特定し、生物活動の兆候となる可能性のあるガスの存在を示唆する兆候さえも発見できる可能性があります。「私たちが本当に求めているのは、地球なのです」とマッキントッシュ氏は語りました。

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。