[비즈한국] TRAPPIST-1惑星系は、発見当初から多くの注目を集めてきた。中心星は太陽質量の9%しかない非常に軽く小さな恒星であり、その表面温度もわずか2500度ほどに過ぎない。それにもかかわらず大きな注目を浴びた理由は、この星の周囲で一度に7つもの惑星が発見されたからである。
惑星は内側から順にTRAPPIST-1 b、c、d、e、f、g、hと呼ばれている。特にその中でd、e、f、gの4つの惑星は中心星から適度な距離を保っており、表面に液体の水からなる海が存在しうるハビタブルゾーン（生命居住可能領域）で公転している。一つの恒星の周囲に生命居住可能領域内の惑星が4つも存在するという点で、ここは地球外生命体の兆候を期待できる有力な候補地と見なされてきた。
しかし、生命が存在するためにはさらなる幸運が必要だ。惑星が十分に厚い大気圏に覆われていなければならない。大気がなければ、いかなる生命体もその上で呼吸することはできないからだ。
長年注目を集めてきただけに、TRAPPIST-1はジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）で多く観測されてきた場所の一つである。昨年、惑星系の内側を公転するb、c惑星の観測結果が最初に発表された。残念ながら、観測結果によると両惑星からは厚い大気圏は確認されなかった。大気は存在しないか、存在したとしても非常に薄いと推定される。
だが、早々に失望するにはまだ早い。そもそもb、c惑星は中心星にあまりに近い場所にあり、生命存在の可能性はあまり期待されていなかったからだ。外側にある惑星たちの方がより重要である。
誰にでも公開されているジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の観測スケジュールを見ると、天文学者たちはすでにTRAPPIST-1の惑星観測をだいぶ以前に完了している。それなのに、まだ具体的な分析結果を発表していない。何かを隠しているのだろうか？
TRAPPIST-1は太陽よりはるかに小さく暗い赤色矮星である。実際、赤色矮星の周囲で生命が住める条件が整うのかについては、依然として意見が鋭く対立する議論の的となっている。単純に考えれば、中心星から適度な距離さえあれば、暑すぎず寒すぎない適温が保たれ、生命が住めると思うかもしれない。しかし、話はそう単純ではない。
特に赤色矮星は極めて複雑だ。ガス雲が凝縮され光り始めた初期段階で、赤色矮星は周囲に致命的な影響を及ぼしうる。星自体のサイズが小さいため、星の内外では物質が上昇・下降する激しい対流が起こる。これが星の周囲に強力な磁場を形成する。星の表面からプラズマ状態で存在する多くの物質が磁場に引き上げられ、星の周囲に複雑に絡み合った磁場に沿って大量の物質が星の外へと流出する。磁場の束が絡まり合って切れる瞬間、引き連れ出された物質が高速で宇宙空間へと噴出し、強力なフレアを引き起こすのである。
特に赤色矮星は星自体が暗いため、その周囲で十分な温度を得るには惑星が星に接近していなければならない。星の周囲に形成されるゴールドロックスゾーン、すなわちハビタブルゾーン自体が非常に狭く形成される。そのため、大きな星に比べて、むしろ小さな星の周囲の方がフレアの脅威にさらされやすい。
惑星へと降り注ぐ星のフレアにより、惑星を覆う大気圏がかなりの部分剥ぎ取られてしまう可能性がある。水素やヘリウムのような軽い分子だけでなく、二酸化炭素、酸素、窒素などのより重い分子までもが取り除かれる。例えば地球のように比較的薄い大気で包まれた岩石惑星であれば、赤色矮星が放つ強力なフレアによって、事実上ほとんどの大気圏が吹き飛ばされてしまう可能性がある。
惑星がこうした脅威に耐え、大気圏を維持し続けるためには、星の激しいフレアから自身を守るほど強力な独自の磁気保護膜を備えていなければならない。実際に火星の場合、地球より太陽から遠くに位置しているにもかかわらず、磁気保護膜を形成できなかったために、かつて存在した海や大気がはるか昔に失われてしまったと推定されている。
赤色矮星の周囲で耐えるのが難しいのは岩石惑星だけではない。木星のような巨大ガス惑星も危険である。特に軽い気体成分で構成されるガス惑星の大気圏も、星のフレア攻撃から無事ではいられない。外側の大気から順に剥ぎ取られていき、惑星自体のサイズが縮小していく可能性がある。
一つ興味深いのは、これまでに発見された系外惑星の多くが、中心星に近すぎる位置にある巨大ガス惑星であるという点だ。このような惑星は「ホット・ジュピター（熱い木星型惑星）」と分類される。太陽系には、このような惑星は一つも存在しない。太陽系では、巨大ガス惑星はすべて太陽系外縁部にのみ存在する。
太陽系外の系外惑星を発見する中で、ホット・ジュピターの存在は未だ完全に解明されていない謎の一つである。これらは本来、星から遠く離れた場所で誕生したが、その後周囲の他の惑星と重力を及ぼし合いながら軌道を変え、星に接近した可能性がある。惑星の移動の可能性である。しかしそうであったとしても、長い間じっと厚い大気を保持し続けることは、容易には説明がつかない。
昨年、天文学者たちはジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の観測を通じて、TRAPPIST-1の最も内側を公転するb、cの二つの惑星で大気の有無を確認した。惑星で大気の存在を確認する最も伝統的な方法は、惑星が星の前を横切る「トランジット」を活用することである。惑星が大気に覆われていれば、惑星が星の前を通過する際に、惑星の大気を透過した星の光を観測できる。この過程で星の光の一部は大気成分に吸収される。惑星大気を透過しない星の光のスペクトルと比較すれば、大気にどのような成分が含まれているのかがわかる。しかし、惑星の大気が非常に薄い場合はこの方法も活用しにくい。星の光が薄い大気圏を透過できる可能性が低いためだ。
ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡はハッブル宇宙望遠鏡よりもはるかに感度が高い。おかげで天文学者たちは前回の観測で少し特別な手法を用いた。単に惑星が星の前を通過する瞬間だけでなく、半周して惑星が反対側へ移動し、惑星表面に星の光が反射する瞬間の様子も観測したのだ。もし惑星に薄い大気圏があれば、大気が均一に循環することで惑星の昼夜の温度差（日較差）は小さくなる。星を背にした惑星の夜側の温度と、星に向き合う昼側の温度差は大きくない。一方で大気が全く存在しなければ、惑星の日較差はより極端になる。残念ながら、前回のジェイムズ・ウェッブの観測によれば、TRAPPIST-1 b、cの二つの惑星は極端な日較差を示した。この二つの惑星には薄い大気圏さえも存在しないようである。
しかし、真の主人公は別にいる。そもそもこの二つの惑星は中心星を回る軌道が小さすぎて温度そのものが非常に高く、生命存在の可能性を期待しにくい。だが、d、e、f、gの4惑星は生命居住可能領域に軌道を描いている。
最近、天文学者たちはTRAPPIST-1e惑星について多様な環境を想定し、分析を行った。ここは地球のような岩石惑星である。同様に小惑星の衝突を経て形成された直後は、液体マグマが沸騰していたはずだ。マグマが固まる過程で中心星からは持続的に紫外線、可視光線、赤外線など多様な形で星の光を受け続ける。こうした地質学的環境と星の光の複合的な影響は、惑星大気圏の量と化学組成に影響を及ぼしうる。天文学者たちはこうした多様な条件を想定し、惑星表面の温度と大気圧がどう変化しうるかをモデル化した。
まずTRAPPIST-1eが初期に現在の地球の大気圏と似た大気を持っていたと仮定すると、惑星が形成されてから数億年が経過した後も大気を維持できるという結果が出る。表面の液体マグマがすべて固まって固体表面が形成された後、大気の主成分は二酸化炭素で構成される。一部の酸素や水分子も残っている。大気を保持し続けるため温室効果が発生し、惑星の表面は暖かな温度を維持できる。この惑星の大気組成が最初から地球と似ていたならば、中心の赤色矮星からのフレアの脅威を受けても大気圏を維持できるのである。
TRAPPIST-1eが地球とは異なる天王星や海王星のように、非常に厚い水素からなる大気を持っていた可能性もある。興味深いことに、この場合には液体マグマで沸騰していた表面が硬い岩石に固まるまでにより時間がかかる。惑星が固体表面へと固まっていく過程でより多くの水素が宇宙空間へと放出され、比較的重い分子である水や二酸化炭素、酸素が残り、惑星大気の主要成分となる。このモデルによれば、惑星は十分に生命が住める良質な大気組成を維持し、表面温度も生命が住めるレベルまで低下する。非常に勇気づけられる結果だ。TRAPPIST-1eが最初から地球と大気組成が似ていなくとも、天王星や海王星のように厚い水素大気から始まったとしても、地質学的プロセスと中心星の放射線の複合的な影響を受けながら生命が住める環境が作られるからである。
一方、中心星にかなり近いTRAPPIST-1bの場合は結果が暗い。同様に初期に厚い水素大気を持っていたと仮定しても、中心星から注がれるあまりに強烈な恒星風と放射線によって、大気圏の大部分が宇宙空間へ放出されてしまう。ごく薄い希薄な酸素大気圏だけが残る。他の成分がほとんどなく、事実上酸素のみで構成された非常に薄い大気圏であるため、生命が耐えるには適さない。結局、星に近いTRAPPIST-1b惑星は、どのようなシナリオであっても生命を期待できる大気圏が作られるのは困難だった。
それに比べ、TRAPPIST-1eははるかに希望がある。大気組成が最初から地球と似ていたか、あるいは天王星や海王星と似ていたかに関係なく、今も十分に生命を期待できる条件になりうる可能性がある。
事実、TRAPPIST-1eはすでにジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡で観測済みである。ところが、TRAPPIST-1eの大気の有無を確認するための観測時、あいにく中心星が激しいフレアを起こした。眩いフレアが突然惑星の光を覆い隠してしまい、フレアの光と惑星表面に反射された星の光を区別できなくなったのだ。そのため一部の天文学者たちは、TRAPPIST-1eの分析結果よりも、TRAPPIST-1dやf惑星の分析結果が先に発表される可能性があると推測している。
TRAPPIST-1は周囲で一度に7つもの惑星が発見され、そのうち4つもが生命居住可能領域にあるため、長い間期待を集めてきた。そんな場所でさえ生命の兆候が一つも確認されなければ、非常に意気消沈する結果となるだろう。
系外惑星が星の前を横切る時だけでなく、反対側の軌道へ移動し惑星表面に星の光が反射する瞬間を観測して、大気の存在と化学組成を把握するのは今回が初めて試みる新しい観測方法である。これまでTRAPPIST-1周辺の惑星を観測したのも、実際にはわずか1〜2回の観測試行で得られた少ないデータに基づく結果に過ぎない。結局、より精密で確実な判断を下すために必要なのは、さらに長い時間をかけて反復的にTRAPPIST-1周辺の惑星を観測することだけである。
TRAPPIST-1は魅力的な観測対象だが、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡はこの系外惑星系だけを見るために存在するツールではない。太陽系の天体から数多の星や銀河に至るまで、あまりに多くの観測スケジュールが詰まっている。忙しいスケジュールの中で、TRAPPIST-1の惑星を再びどれだけ狙えるかによって、我々の期待と結論が変わってくるだろう。
参考
https://academic.oup.com/mnras/article/531/1/468/7659831
筆者チ・ウンベは？ 猫と宇宙を愛する。幼少期に「銀河鉄道999」を見て宇宙の美しさを伝えたいという夢を持つようになった。現在、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。著書に「サム乗る天文台」、「一日中宇宙の考え」、「星、光の科学」などがある。