岩石質の太陽系外惑星には太陽系内では見られない種類の岩石が存在する

岩石質の太陽系外惑星には太陽系内では見られない種類の岩石が存在する 天文・宇宙
©NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva

画像:かつての岩石質の惑星が分裂してできた岩石の破片が、白色矮星に向かって渦を巻いている様子。NOIRLabの天文学者と地質学者は、このような岩石の破片で「汚染」された白色矮星の大気を調べ、太陽系には存在しないエキゾチックな種類の岩石を発見しました。この結果は、近くにある岩石質の太陽系外惑星が、これまで考えられていたよりもさらに奇妙で多様性に富んでいることを示唆している。

岩石質の太陽系外惑星の多くは、太陽系内のものとはまったく異なることが、宇宙地質学の新しい研究によって示唆されました。

NSFのNOIRLabの天文学者は、カリフォルニア州立大学フレズノ校の地質学者と共同で、近傍の恒星を周回する惑星に存在する岩石の種類を初めて推定しました。

研究チームは、汚染された白色矮星の化学組成を調査した結果、近傍の恒星を周回する岩石質の惑星の多くは、これまで考えられていたよりも多様でエキゾチック1物質や粒子の性質が通常のものと異なることであり、太陽系内では見られない種類の岩石が存在すると結論づけました。

天文学者たちは、銀河系内の星の周りを回る何千もの惑星(太陽系外惑星)を発見しています。

しかし、これらの惑星が何でできているのか、また地球に似ているものがあるのかどうかを知ることは困難です。

そこで、NSFのNOIRLabに所属する天文学者のSiyi Xu氏は、カリフォルニア州立大学フレズノ校の地質学者Keith Putirka氏と共同で、「汚染された白色矮星」と呼ばれる惑星の大気を調査しました。

汚染された白色矮星とは、太陽のような正常な恒星が崩壊してできた高密度の核で、かつて恒星の周りを回っていた惑星や小惑星などの岩石が白色矮星に落下して大気を「汚染」した異物を含んでいます。

白色矮星の大気中に本来存在しない元素(水素とヘリウム以外の元素)を探すことで、星に落ちた岩石質の惑星体が何でできているのかを知ることができるのです。

Putirka氏とXu氏は、太陽から約650光年以内にある23個の汚染された白色矮星を調べ、ハワイのW.M.ケック天文台やハッブル宇宙望遠鏡などを使って、カルシウム、ケイ素、マグネシウム、鉄などの組成を精密に測定しました。

そして、測定された元素の含有量をもとに、白色矮星から生成される鉱物や岩石を復元しました。

その結果、これらの白色矮星は、太陽系内惑星よりもはるかに幅広い組成を持っていることがわかりました。

これは、白色矮星がより多様な種類の岩石を持っていたことを示唆しています。

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実際、組成の中には非常に珍しいものもあり、Putirka氏とXu氏は、これらの惑星に存在していたであろう新しいタイプの岩石を分類するために、「Quartz Pyroxenites」や「Periclase Dunites」といった新しい名前を作らなければなりませんでした。

「汚染された白色矮星を周回していた太陽系外惑星の中には、地球と似たような姿をしているものもありますが、ほとんどは太陽系にはない岩石タイプです。これらの岩石には、太陽系内で直接対応するものがありません。」

汚染された白色矮星に関するこれまでの研究では、カルシウム、アルミニウム、リチウムなどの岩石体由来の元素が見つかっていました。

しかし、Putirka氏とXu氏は、これらはマイナーな元素(地球の岩石のごく一部を構成する)であり、それらの惑星にどのような種類の岩石が存在していたかを真に知るためには、メジャーな元素(地球の岩石の大部分を構成する)、特にケイ素の測定が必要であると説明しています。

さらに、Putirka氏とXu氏は、白色矮星の大気中で測定された高濃度のマグネシウムと低濃度のケイ素から、検出された岩石の破片は、地殻ではなくマントルから来たものである可能性が高いと述べています。

汚染された白色矮星を調べた過去の研究では、その星の周りを回っていた岩石質の惑星に大陸性地殻が存在していた形跡があると報告されていますが、Putirka氏とXu氏は、地殻岩石の証拠を発見しませんでした。

しかし、今回の観測結果は、惑星が大陸性地殻やその他の地殻の種類を持っていたことを完全に否定するものではありません。

Putirka氏は、「もし地殻岩が存在していたとしても、それを見ることができないのは、核やマントルなどの他の惑星構成要素の質量に比べて、地殻岩の存在量が少なすぎて測定できないためだと考えられます。」と述べています。

Xu氏は、天文学者と地質学者のペアが、汚染された白色矮星の大気に隠された秘密を解き明かす鍵となったと言います。

「Keith Putirka氏とは学会で知り合い、自分が観測している星系を彼が理解してくれるのではないかと期待しました。彼は私に地質学を教え、私は彼に天文学を教え、これらの神秘的な太陽系外惑星システムを理解する方法を見つけ出したのです。」

2人の成果は、2021年11月2日発行の「Nature Communications」に掲載されます。

Published by NOIRLab. Keith D. Putirka et al, Polluted white dwarfs reveal exotic mantle rock types on exoplanets in our solar neighborhood, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-26403-8