裸の超短周期惑星が高温の大気の進化の手がかりとなる「スーパーアース」

裸の超短周期惑星が高温の大気の進化の手がかりとなる天文・宇宙
本研究で発見された地球型惑星の大きさを比べたイメージイラスト。TOI-1685b は地球の 1.5 倍、TOI-1684b は 1.8 倍の直径です。どちらの惑星も太陽よりも温度の低い恒星のまわりにあるため、赤っぽい光に照らされています。©Astrobiology Center

アストロバイオロジーセンター、国立天文台、東京大学などの研究者からなるグループは、2つの異なる赤色矮星の非常に近い軌道上に、始原的な厚い大気を持たない2つの岩石質のスーパーアース1「スーパーアース」とは、地球よりも大きな惑星で、質量は地球のおよそ10倍以下、直径は地球のおよそ2倍以下の系外惑星を指します。太陽系にはこのような重さ・大きさの惑星は存在しないため、系外惑星の観測によって初めてこのような惑星が存在することがわかりました。型の太陽系外惑星を発見しました。

これらの惑星は、高温の岩石質惑星の大気の進化を調べるチャンスとなります。

今回の研究では、すばる望遠鏡を中心に、赤色矮星の周りにある2つの惑星候補 (TOI-1634bとTOI-1685b、元々は NASAのTESS 探査機によって同定された) の追跡観測を行いました。

どちらの候補もペルセウス座にあり、地球からの距離はTOI-1634bが114光年、TOI-1685bが122光年とほぼ同じです。

研究チームは、これらの候補天体が、恒星 (今回の発見では低温度・小質量の太陽型星) の周りを24時間以内で回る超短周期軌道を持つ、岩石質のスーパーアースであることを確認しました。

また、すばる望遠鏡に搭載された赤外線分光器 IRD (InfraRed Doppler, 赤外線ドップラー装置) による観測では、これらの惑星の質量が測定され、内部構造や大気構造が明らかになりました。

その結果、これらの惑星は「裸の惑星」であることがわかりました。

これは、非常に接近した恒星との相互作用のために、始原的に厚い水素・ヘリウムの大気が存在しないことを意味します。

このため、惑星内部から放出されたガスからなる二次的な大気が存在する余地があると考えられます。

また、TOI-1634bは、これまでに知られている超短周期岩石質惑星の中で、最も大きく(1.8 地球半径)、最も重い(10 地球質量)惑星の一つであることが明らかになりました。

これまでに見つかっている系外惑星のうち、3地球半径以下の惑星の、質量と半径の分布。

これまでに見つかっている系外惑星のうち、3地球半径以下の惑星の、質量と半径の分布。従来知られていた超短周期惑星は青または紫、今回新たに発見された2つの超短周期惑星は赤で示されています (青は太陽型星まわり、紫は低温の M型矮星まわりの超短周期惑星)。灰色の点は公転周期1日以上の惑星です。理論計算による惑星の内部組成ごとの質量と半径の関係が異なる色の曲線で示されていて、図示されている超短周期惑星はいずれも地球の組成 (質量比で岩石 67.5 パーセント、鉄 32.5 パーセント) とほぼ一致していることが分かります。一方、図の右上に分布する半径の大きな惑星 (灰色) は、木星や海王星のように外側に水素大気を持つモデルで説明することが可能です。 ©Astrobiology Center

これらの新惑星は、岩石質の超短周期惑星にどのような大気が形成されるのかを研究する絶好の機会であり、このような特異な惑星がどのようにして形成されるのかを理解する手がかりとなります。

今後、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡をはじめとする将来の望遠鏡による観測で、これらの惑星の大気を検出し、その特徴を明らかにすることを目指します。

本研究の筆頭著者である平野照幸博士は、「TESSで同定された惑星候補をすばる望遠鏡で集中的に追跡するプロジェクトは現在も進行中であり、今後数年間で多くの珍しい惑星が確認されるでしょう。」と語っています。

 

Published by Subaru Telescope. Teruyuki Hirano et al, Two Bright M Dwarfs Hosting Ultra-Short-Period Super-Earths with Earth-like Compositions*, The Astronomical Journal (2021). DOI: 10.3847/1538-3881/ac0fdc
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