私たちの銀河系外で初めての惑星を発見したかもしれない:メシエ51(M51)

私たちの銀河系外で初めての惑星を発見したかもしれない:メシエ51(M51) 天文・宇宙
©NASA/CXC/M. Weiss
画像:天文学者たちは、M51(渦巻き銀河)に惑星候補の証拠を発見しました。これは、天の川銀河の外で検出された最初の惑星となる可能性があります。チャンドラは、大質量の星が中性子星やブラックホールの周りを回っている系からのX線を一時的に暗くする現象を検出しました(図)。この減光は、中性子星やブラックホールの周囲にあるX線源の前を通過した惑星であると解釈されています。 

これまで天文学者は、天の川銀河内にある既知の太陽系外惑星および太陽系外惑星候補をすべて発見してきましたが、そのほとんどが地球から約3,000光年以内の距離にありました。

しかし、天の川銀河の外にある星を通過する惑星の兆候が、初めて検出されたかもしれません。

この興味深い結果は、NASAのチャンドラX線観測装置を用いて得られたもので、これまで以上に遠く離れた場所にある太陽系外惑星を探すための新たな窓を開くものです。

この太陽系外惑星の候補は、その特徴的な形状から「渦巻き銀河」とも呼ばれるメシエ51(M51)にあります。

太陽系外惑星とは、太陽系外にある惑星のことです。

これまでに天の川銀河内で発見された太陽系外惑星および太陽系外惑星候補は、そのほとんどが地球から約3,000光年以下の距離にあることがわかっています。

M51にある太陽系外惑星は、約2,800万光年の距離にあり、天の川銀河にある太陽系外惑星の数千倍もの距離にあることになります。

NASA/CXC/SAO/R. DiStefano, et al.; Optical: NASA/ESA/STScI/Grendler

チャンドラからのX線とNASAハッブル宇宙望遠鏡の光学光を合成したM51の画像には、惑星候補の可能性がある場所を示すボックスが含まれている。NASA/CXC/SAO/R. DiStefano, et al.; Optical: NASA/ESA/STScI/Grendler

今回の研究を主導した、マサチューセッツ州ケンブリッジにあるハーバード・スミソニアン天体物理学センター(CfA)のRosanne Di Stefano氏は、「私たちは、X線の波長で惑星候補を探すという戦略によって、他の銀河にある惑星を発見するための全く新しい分野を切り開こうとしています。」と述べています。

この新しい結果は、トランジット(惑星が恒星の前を通過することで、恒星の光の一部が遮られ、特徴的なディップが生じる現象)に基づいています。

NASAのケプラー計画やTESS計画のように、地上と宇宙の両方の望遠鏡を使って、人間が見ることのできる電磁波である光のディップ(減光)を探し、何千もの惑星を発見してきました。

しかし、Di Stefano氏たちは、明るく輝くX線連星から届くX線の明るさの低下を探しました。

この明るい連星系には、通常、中性子星やブラックホールが、密接に周回する伴星からガスを引き込んでいます。

中性子星やブラックホールの近くにある物質は過熱され、X線で光ります。

明るいX線が発生する領域は小さいので、その前を通過する惑星がX線の大部分または全部を遮り、X線が完全に消えてしまうため、通過を発見しやすくなります。

これにより、惑星が恒星のごく一部を遮るためにわずかな光の減少を検出しなければならない現在の光学的光通過研究よりも、はるかに遠くにある太陽系外惑星を検出できる可能性があります。

研究チームは、この方法を用いて、M51にある「M51-ULS-1」という連星系の太陽系外惑星候補を検出しました。

この連星系は、太陽の約20倍の質量をもつ伴星の周りを、ブラックホールまたは中性子星が回っています。

チャンドラのデータを用いて発見されたX線トランジットは約3時間で、その間にX線の放射はゼロになりました。

これらの情報から、M51-ULS-1の太陽系外惑星候補は、土星とほぼ同じ大きさで、太陽から土星の約2倍の距離にある中性子星またはブラックホールの周りを回っていると推定されます。

これは興味深い研究ですが、銀河系外の太陽系外惑星という解釈を検証するには、さらに多くのデータが必要です。

課題の一つは、この惑星候補の軌道が大きいため、約70年間は再び連星相手の前を横切ることがなく、数十年に渡って確認観測を行うことができないということです。

共著者であるカリフォルニア大学サンタクルーズ校のNia Imara氏は、「残念ながら、惑星の存在を確認するためには、次の通過を何十年も待たなければならないでしょう。また、惑星がどのくらいの時間で周回するかについては不確定要素があるため、いつ見るべきか正確にはわかりません。」と述べています。

Discovered: First Potential Planet Outside of Our Galaxy

X線源の前をガスや塵の雲が通過したことで、減光が起こった可能性は?

M51-ULS-1で観測された現象の特徴は、そのような雲の通過とは一致しないため、研究者たちはこの説明はあり得ないと考えています。

惑星候補のモデルは、データと一致しています。

共著者であるプリンストン大学のJulia Berndtsson氏は、「私たちは、エキサイティングで大胆な主張をしているので、他の天文学者が非常に注意深く見てくれることを期待しています。私たちは強力な主張を持っていると思っていますし、このプロセスは科学がどのように機能するかを示しています。」

もし、この星系に惑星が存在するとすれば、その惑星は波乱万丈の歴史と暴力的な過去を持っていた可能性が高いです。

この星系の太陽系外惑星は、中性子星やブラックホールを生み出した超新星爆発を生き延びなければならなかったでしょう。

将来も危険かもしれません。

伴星もある時点で超新星爆発を起こし、非常に高いレベルの放射線で惑星を再び吹き飛ばす可能性があるのです。

Di Stefano氏たちは、チャンドラと欧州宇宙機関のXMM-Newtonを用いて、天の川銀河の外側にある3つの銀河でX線トランジットを探しました。

その結果、M51では55個、メシエ101(風車銀河)では64個、メシエ104(ソンブレロ銀河)では119個の星系が見つかり、今回紹介する太陽系外惑星の候補が1つできました。

著者らは、チャンドラとXMM-Newton1欧州宇宙機関 (ESA) のX線観測衛星の両方のアーカイブを検索して、他の銀河にあるより多くの太陽系外惑星候補を探す予定です。

M51よりもはるかに近くにあるM31やM33のような銀河も含まれており、より短い遷移を検出することができます。

もう一つの興味深い研究は、天の川銀河のX線源でX線トランジットを探索し、特異な環境にある新たな近傍惑星を発見することです。

Published by Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Rosanne Di Stefano, A possible planet candidate in an external galaxy detected through X-ray transit, Nature Astronomy (2021). DOI: 10.1038/s41550-021-01495-wwww.nature.com/articles/s41550-021-01495-w