[비즈한국] 1990年代まで、人類が「惑星」という言葉を使うとき、それは太陽の周りを回る太陽系内の惑星のみを指していた。太陽系の外にも別の恒星の周りを回る太陽系外惑星が存在するだろうと想像はしていたが、それはあくまで想像上の存在に過ぎず、実際にその存在が証明されたことはなかった。しかし1990年代を経て、ついに太陽系外惑星の実体的なデータを捉え始めた。現在はケプラー宇宙望遠鏡やTESSなど、多様な宇宙望遠鏡の大きな活躍により、1万個を超える太陽系外惑星とその候補天体が確認されている。今や「惑星」という言葉は、太陽系の惑星のみを意味するのではない。むしろ太陽系の外、別の星々を回る数え切れないほど多くの宇宙の惑星すべてを指すものとなった。
実際、人類が太陽系外惑星を探す最も重要な目的は明らかだ。地球のように生命体が住める場所を探すことである。太陽系外惑星の研究は、すなわち地球外生命体を探索する研究へとつながるものだ。地球のように生命体が住みやすい条件を満たすには、中心となる恒星から適度な距離を保っていなければならない。そして、地球のような硬い岩石の表面を持つ必要がある。木星のように大気だけに覆われたガス惑星であれば、生命体が足をつけて暮らせる大陸が存在しないからだ。
では、これまでに人類が発見した太陽系外惑星の中で、地球と似た条件を満たす惑星はどれくらいあるのだろうか。実はその割合はかなり少ない。むしろ太陽系の外に視線を向ける中で、太陽系では到底期待もしなかった奇妙な種類の太陽系外惑星を数多く発見した。木星のような巨大なガス惑星でありながら、中心の恒星に極端に近く、熱せられた惑星だ。こうした奇妙な惑星は「ホット・ジュピター（熱い木星型惑星）」と分類される。
ホット・ジュピターは私たちの太陽系には存在しない。太陽系で見られる木星のような巨大なガス惑星は、すべて太陽から遠く離れた外側にだけ分布している。これは非常に理解しやすい。太陽から遠い場所ではガス物質が飛ばされずに残り、比較的軽い気体成分からなるガス惑星が形成されたのだろう。一方で太陽系の内側では、熱に強い岩石や金属からなる地球のような小さくて硬い惑星が作られたはずだ。星の近くには硬い岩石が、星から離れた外側には軽いガス雲の惑星ができるという原理は、私たちの太陽系だけを見たときにはあまりに当然の理屈であった。
ところが、太陽系外惑星の存在を知り、詳細な特性を把握し始めると天文学者たちは混乱した。惑星系形成のプロセスに関する理解が、太陽系外の多くの惑星にはうまく当てはまらなかったからだ。ホット・ジュピターをどのように理解すべきか？ 脆弱なガス惑星たちが、なぜ中心の星に密着して熱せられているのか？ 私たちの太陽系こそ、宇宙全体から見れば惑星の大きさが独特な順序で並んだ非常に稀なケースなのではないだろうか？
長い間、天文学者たちはホット・ジュピターが最初から今の姿で存在していたわけではないと考えていた。星に極端に近く、100日にも満たない非常に短い周期で回る軌道上では、軽い気体成分だけで構成された惑星が長期間安定して形成されることは難しいと考えたからだ。代わりに、本来は中心の星から遠く離れた惑星系の外縁で誕生したガス惑星が、何らかの理由で軌道が乱れ、少しずつ恒星系の中心へと流れ込んできたと推定した。いわば惑星版の移住現象だ。最近、天文学者たちはホット・ジュピターの起源を説明するこのシナリオを裏付ける、非常に驚くべき観測的証拠を発見した！
天文学者たちは2020年、TESS宇宙望遠鏡を活用して約1100光年離れた恒星「TIC 241249530」の傍で太陽系外惑星を一つ発見した。惑星が中心の星の前を周期的に横切る際、中心の星の明るさがわずかに暗くなる「トランジット法」を活用した。その後、天文学者たちは別の方法を用いて惑星の質量まで割り出した。惑星が星の傍を回るとき、星と互いに重力を及ぼし合い、それによって中心の星の位置が微細に揺らぐことがある。その動きを測定すれば、星の傍で星を揺さぶる惑星の重力、すなわち惑星の質量を把握できる。天文学者たちの観測結果によると、惑星「TIC 241249530b」は木星質量の約4.98倍、木星を5つ集めた程度に匹敵する非常に重厚なガス惑星だ。
この太陽系外惑星は約165日という短い周期で中心の星の傍を回っている。この惑星の1年は、地球の1年の半分程度だ。しかし、さらに驚くべきは、この惑星が描く軌道が非常に歪んだ楕円であるという事実だ。惑星の動きを継続的に観測した末、天文学者たちは楕円軌道の歪み具合を示す「離心率」が0.94であることを突き止めた。離心率がほぼ1であるということは、実質的にほぼ直線と見なせるほど非常に大きく歪んでいることを意味する。
もしこの惑星が私たちの太陽の傍を回っていたら、中心の太陽に最も近づくときは水星よりも10倍近く接近し、最も遠ざかるときは地球の距離にまで達する。この太陽系外惑星は、これまで発見された中で最も極端に歪んだ楕円軌道を描いている。惑星というよりは、ほとんど彗星に近い軌道だ。しかも、中心の星の自転と正反対の方向に公転する「逆行」まで行っている。
このような独特な動きを持つ理由は、中心の星が2つの星がペアをなす「連星」だからだ。今回の研究で天文学者たちは、独特な軌道を描くこの惑星の力学的な進化過程をシミュレーションで再現した。今後10億年後にこの惑星の軌道がどう変わるかも予測した。
本来、この惑星も平凡に一つの星の傍でかなり遠い距離を置いて形成されたガス惑星だったはずだ。しかし、傍にいる別の星と重力を及ぼし合う過程で軌道がひどく歪んだのである。そのため、現在のような極端な離心率を持つようになったのだろう。シミュレーションによると、結局この惑星の軌道は、現在傍を回っている中心の星の方へさらに近づくことで大きさが縮小する。そして星に密着した小さな円軌道を描くようになる。私たちが今日「ホット・ジュピター」と呼んでいる形の軌道を持つことになるのだ。
このように極端に歪んだ軌道を描く場合、この太陽系外惑星の大気は非常に不安定になるだろう。星に近づくときと遠ざかるときで、惑星表面に到達する星の光エネルギーの量が大きく変わるからだ。簡単に言えば、1年の中で最も暑いときは1200度まで、最も寒いときは200度まで温度が上下し得る。以前まで人類が発見した最も極端に歪んだ楕円軌道を描く惑星は「HD 80606 b」だった。この惑星の軌道離心率もほぼ1に近い0.93程度だ。ところが、今回その記録が塗り替えられたのである。両方の惑星とも、その極端な軌道のために惑星の大気循環システムや季節の変化も非常に過酷であると推定される。
極端な離心率を描く太陽系外惑星が少しずつ発見されることで、私たちを悩ませてきたホット・ジュピターの起源に手がかりを与えることが期待される。ホット・ジュピターたちも、最初から奇妙な姿で生まれたわけではないだろう。ただ、周辺の他の星や巨大な惑星の重力によって継続的に摂動を受け、軌道がずれて少しずつ中心の星の傍へと近づくことで、現在のような過酷な軌道を描くようになったはずだ。大きく歪んだ楕円軌道を描く惑星たちは、冷たい木星型惑星がホット・ジュピターへと変貌していく過程を見せているのである。
太陽系外のすべての星の傍をくまなく調べ尽くしたわけではないため、私たちの太陽系が本当に稀なケースなのか、あるいは私たちと似た同族たちが当たり前に存在しているのかは、まだ確実に語ることはできない。ただ、宇宙における惑星の環境と姿は、私たちが考えるよりもはるかに多様であるという点だけは確かだ。私たちが想像すらできない姿の太陽系外惑星が、間違いなく宇宙のどこかに潜んでいるはずである。
参考
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07688-3
筆者チ・ウンベは？ 猫と宇宙を愛する。幼い頃『銀河鉄道999』を見て、宇宙の美しさを伝える夢を持つようになった。現在は延世大学銀河進化研究センターおよび近宇宙論研究室にて、銀河の相互作用を通じた進化を研究しており、講演や執筆など多様な科学コミュニケーション活動を行っている。『サム（Some）乗る天文台』、『一日中宇宙を考える』、『星、光の科学』などの著書がある。