惑星系の軌道の平坦性について:惑星系TRAPPIST-1

惑星系の軌道の平坦性について 天文・宇宙
© Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

太陽系の惑星は、いずれも太陽の周りをほぼ一直線に回っています。

地球の軌道が0度で平面を規定しているのに比べて、最も角度の大きい軌道は水星の軌道で、その傾きは7度です(矮小惑星冥王星の軌道の角度は17.2度)。

惑星の軌道特性は、ガスや塵からなる原始惑星系円盤が消滅し、若い惑星自身が相互に重力の影響を受けたり、円盤内の物質の影響を受けたりして、円盤内を移動していくことで変化していきます。

ですから、惑星系の軌道の様子は、その進化の過程を反映していると天文学者は認識しています。

TRAPPIST-1は、太陽から約40光年の距離にある質量0.09の小さな恒星の周りを、地球サイズの7つの惑星が回っている惑星系です。

TRAPPIST望遠鏡によって初めて検出されたこの惑星系は、スピッツァー望遠鏡のIRACカメラやK2ミッションなどによる追跡観測によって、現在までに惑星の質量が5~12%の精度で決定され、その他の特性も改良されています。

驚くべきことに、この星系は既知の星系の中で最も平坦で、軌道傾斜角はわずか0.072度しかありません。

軌道傾斜角0.072度で、この極端な扁平さは、この星系の形成と進化を考える上で非常に重要な制約となる可能性があります。

画像:TRAPPIST-1星系の7つの惑星は、例外的に平らな面で星の周りを回っている。天文学者たちは、原始惑星系円盤の特性と進化を制約するために、この系の極端な平面性を利用している。©NASA/JPL-Caltech/R. Hurt, IPAC

また、この星系は非常にコンパクトで、7つの惑星のうち最も遠いものでも恒星から0.06天文単位しか離れていません(太陽系では水星がその5倍以上の距離を周回しています)。

このような密集した構成では、惑星の相互の重力引力が、軌道の傾きなどの詳細に特に重要な影響を与えます。

ハーバード・スミソニアン天体物理学センターの天文学者であるMatthew Heising氏、Dimitar Sasselov氏、Lars Hernquist氏、Ana Luisa Tió Humphrey氏は、ガス状の円盤と惑星の3次元コンピュータシミュレーションを用いて、これまでの研究で提案されていたものも含め、さまざまな形成モデルの可能性を検討しました。

また、ガス状の原始星の円盤が惑星の移動特性に影響を与えることを知っていたので、TRAPPIST-1システムの円盤の最小質量を調べることにも興味を持っていました。

そこで、これまで主に宇宙論的なシミュレーションに用いられてきたコンピュータコード「AREPO」を使用しました。

それぞれの惑星は、最初は水が凍るほど温度が下がる恒星からの距離にあり、その後、内側に向かって移動し、途中でゆっくりと加速を起こし、他の惑星の存在によって軌道が影響を受けたときに停止するというものです。

必要な円盤の質量は0.04太陽質量程度と小さく、円盤内の物質の分布もモデルに反映されており、さらに天文学者はこの値の約15倍以上の円盤質量を除外することができます。

今回の成果は、惑星系のシミュレーションによって、惑星の形成と進化の過程を詳細に推定できることを示しています。

Published by Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Matthew Z. Heising et al, How Flat Can a Planetary System Get? I. The Case of TRAPPIST-1, The Astrophysical Journal (2021). DOI: 10.3847/1538-4357/abf8a8