340光年離れた太陽系外惑星の大気中の炭素と酸素を測定する科学者たち

340光年離れた太陽系外惑星の大気中の炭素と酸素を測定する科学者たち 天文・宇宙
「ホットジュピター」と呼ばれる太陽系外惑星のイメージ図。©NASA, ESA, and L. Hustak (STScI)

国際研究チームは、チリにあるジェミニ天文台の地上望遠鏡を用いて、約340光年離れた別の太陽系の惑星の大気中の水と一酸化炭素の量を直接測定した初めての成果を発表しました。

研究チームは、アリゾナ州立大学地球・宇宙探査学部のMichael Line助教授が率いており、本研究成果は最近、学術雑誌「Nature」に掲載されました。

太陽系外には何千もの惑星が存在することが知られています(太陽系外惑星)。

科学者たちは、宇宙望遠鏡と地上望遠鏡の両方を使って、これらの太陽系外惑星がどのように形成され、太陽系内の惑星とどのように異なるのかを調べています。

今回、Line氏のチームは、太陽系の木星に似ているものの、温度が華氏2,000度(摂氏1,093度)を超えることから「ホットジュピター」と呼ばれるタイプの太陽系外惑星「WASP-77Ab」に注目しました。

そして、軌道上の星と比較して、どのような元素が含まれているかを調べるために、その大気の組成を測定することに注力しました。

「ホットジュピターは、その大きさと温度から、大気ガスを測定し、惑星形成の理論を検証するのに最適な実験室です。」とLine氏は言います。

太陽系外の惑星に探査機を送ることはまだできませんが、科学者は望遠鏡を使って太陽系外の惑星からの光を研究することができます。

ハッブル宇宙望遠鏡のように宇宙で観測する場合と、ジェミニ天文台のように地上で観測する場合とがあります。

Line氏のチームは、ハッブル宇宙望遠鏡を使って太陽系外惑星の大気組成の測定に幅広く取り組んでいましたが、その測定は困難を極めました。

ハッブル宇宙望遠鏡の観測装置では水(酸素)しか測定できないため、一酸化炭素(炭素)も測定する必要があったのです。

そこで研究チームが注目したのが、ジェミニ南望遠鏡でした。

「私たちの疑問を解決するためには、何か別の方法を試す必要がありました。そして、ジェミニ南望遠鏡の能力を分析した結果、超高精度の大気測定が可能であることがわかりました。」とLine氏は言います。

ジェミニ南望遠鏡は直径8.1mの望遠鏡で、チリのアンデス山脈にあるセロ・パチョンという山に設置されています。

この山は空気が非常に乾燥しており、雲がほとんどないため、望遠鏡を設置するのに最適な場所です。

アメリカ国立科学財団のNOIRLab(National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory)が運営しています。

研究チームは、ジェミニ南望遠鏡を用いて、IGRINS(Immersion GRating INfrared Spectrometer)と呼ばれる装置で、太陽系外惑星が恒星の周りを回っているときの熱的な光を観測しました。

この装置から、大気中のさまざまなガスの存在とその量についての情報を得ました。

地球の大気中の水蒸気や二酸化炭素の量を測定する気象衛星や気候衛星のように、科学者はジェミニ南望遠鏡のIGRINSのような分光器や望遠鏡を使って、他の惑星のさまざまなガスの量を測定することができます。

「惑星の大気の組成を解明しようとするのは、指紋で犯罪を解決しようとするようなものです。汚れた指紋ではあまり絞り込めませんが、非常にきれいな指紋であれば、誰が犯罪を犯したのかを一意に特定できます。」とLine氏は言います。

ハッブル宇宙望遠鏡では、ぼんやりとした指紋が1つや2つでしたが、ジェミニ南天文台のIGRINSでは、完全に鮮明な指紋が揃っていました。

また、「WASP-77Ab」の大気中の水と一酸化炭素がはっきりと測定されたことで、研究チームはこの太陽系外惑星の大気中の酸素と炭素の相対的な量を推定することができました。

「これらの量は私たちの予想通りで、恒星の量とほぼ同じです。」とLine氏は語っている。

太陽系外惑星の大気中のガス組成を超精密に測定することは、特に地上の望遠鏡では重要な技術的成果であるだけでなく、他の惑星に生命体が存在するかどうかを調べる上でも役立つかもしれません。

「今回の研究は、そう遠くない将来に、居住可能な世界で酸素やメタンなどのバイオシグネチャー1生命存在の痕跡ガスを測定するための道筋を示すものです。」とLine氏は語っています。

今後は、さらに多くの惑星でこの分析を繰り返し、少なくとも15個以上の惑星の大気測定の「サンプル」を作成する予定です。

「私たちは今、太陽系内の惑星に匹敵するガス存在量の精度を得ることができる段階にいるのです。より多くの太陽系外惑星の大気中の炭素と酸素(およびその他の元素)の量を測定することは、木星や土星のようなガス惑星の起源と進化を理解する上で、非常に必要な背景を提供してくれます。」とLine氏は語ります。

また、将来の望遠鏡にも期待しています。

「今の技術でこれができるなら、巨大マゼラン望遠鏡のような最新の望遠鏡で何ができるか考えてみてください。この10年の終わりまでに、同じ方法を使って、太陽系外の地球のような岩石質の惑星で、炭素と酸素を含む生命体のサインを見つけることができるかもしれません。」

研究チームには、Line氏の他に、ASUの地球・宇宙探査学部のJoseph Zalesky氏、Evgenya Shkolnik氏、Jennifer Patience氏、Peter Smith氏、英国ウォーリック大学のMatteo Brogi氏、Siddharth Gandhi氏、シカゴ大学のJacob Bean氏、Megan Mansfield氏、オックスフォード大学(英国)のVivien Parmentier氏とJoost Wardenier氏、テキサス大学オースティン校のGregory Mace氏、メリーランド大学のEliza Kempton氏、カリフォルニア大学サンタクルーズ校のJonathan Fortney氏、ミシガン大学のEmily Rauscher氏、アムステルダム大学のJean-Michel Désert氏が参加しています。

Published by Arizona State University. Michael R. Line et al, A solar C/O and sub-solar metallicity in a hot Jupiter atmosphere, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03912-6