[비즈한국] TRAPPIST-1は、最も注目されている系外惑星系の一つだ。2017年、天文学者たちはここで実に7つの惑星を発見した。私たちの太陽の周りを8つの惑星が回っているのと同等レベルだ。これほど多くの惑星が一度に回っている姿は、宇宙の至る所にさらに多くの多惑星系が存在するだろうという希望を抱かせてくれた。しかも、7つの惑星すべてが地球と似た岩石惑星である。
さらに驚くべき点は、このうち実に4つの惑星が生命を期待できる「ゴルディロックスゾーン（ハビタブルゾーン）」に含まれるということだ。TRAPPIST-1dがゴルディロックスゾーンの最も内側の境界にかかっており、eとfがその中間、そしてgがゴルディロックスゾーンの最も外側の境界に位置している。運が良ければ、それほど遠くない場所で生命が住んでいる系外惑星を一度に複数発見できる現場なのだ。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が宇宙に打ち上げられてから、TRAPPIST-1の惑星を多く観測してきた。特に生命が住むためには、地球のように大気圏に覆われていなければならない。
すでに先立って、最も内側にある2つの惑星bとcについては、際立った大気の存在は見られないという絶望的な結果が発表されていた。b惑星は水星のようにほとんど大気がないように見え、c惑星はごく薄く層をなす大気があるかもしれないという曖昧なデータだけが確認された。しかし、肝心のゴルディロックスゾーンにある他の4つについては、本格的な分析ができていなかった。ジェイムズ・ウェッブが観測を行う最中に、あいにく強力なフレアまで爆発したため、データの分析により時間がかかったのだ。
ようやく皆が待ち望んでいたTRAPPIST-1d惑星に対するジェイムズ・ウェッブの観測分析結果が発表された。果たしてその結果はどうだろうか？ 皆の願い通り、TRAPPIST-1のゴルディロックスゾーンにある惑星にも大気圏は存在するのだろうか？
TRAPPIST-1の惑星たちは、中心星の前を横切る際に星の光が暗くなる「トランジット」を通じて存在が知られた。7つの惑星がそれぞれ異なる周期で一斉に星の前を横切るため、中心星の光はかなり複雑なパターンで明るさが変化する。そのパターンを綿密に分析した末に、合計何個の惑星がそれぞれどのような周期で星の前を通り過ぎるのかを突き止めた。
系外惑星と中心星が一直線上に並ぶトランジットをうまく活用すれば、惑星の大気の有無も知ることができる。すでに2018年にハッブル宇宙望遠鏡の観測を通じて、ここの大気を確認しようと試みた。しかしハッブルはジェイムズ・ウェッブと異なり、主に可視光線を観測し、望遠鏡のサイズも小さいため、精密な大気圏観測は困難だった。ハッブル程度の性能で大気を確認するには、少なくとも天王星や海王星のように厚い大気圏を持つ大きなガス惑星でなければならない。大気が薄い岩石惑星の場合、ハッブルの観測だけでは大気圏の有無を判断するのは難しい。
2018年のハッブル観測で、天文学者たちは少なくともd、e、f惑星には厚い水素大気が全くないと判断した。ただ、ゴルディロックスゾーンの最も外側にあるg惑星の場合は曖昧だが、大気があるかもしれないと推測した。また、g惑星が岩石惑星ではなく、ミニ海王星程度の小さなガス惑星である可能性も提示した。
重要なのは、d、e、f惑星すべてについて「決して大気圏が存在するはずがない」と結論付けたわけではないという点だ。木星のように厚い大気圏まではなさそうである、というのが核心だ。一見すると大気圏を見つけられなかったため絶望的な結論のように思えるかもしれないが、必ずしもそうではない。むしろ希望的な結論になる可能性もある。これらの惑星は地球のような岩石惑星であると疑われており、それならばむしろ地球のように薄い大気を持っていると考えることができる。
薄い大気圏を確認するためにはジェイムズ・ウェッブが必要だ。特にジェイムズ・ウェッブは赤外線波長を観測するため、水や二酸化炭素など地球の生命と直結する成分を把握するのに有利だ。ジェイムズ・ウェッブはTRAPPIST-1d惑星が中心星の前を横切る瞬間を狙った。この惑星は太陽と地球の間の距離のわずか2%しか離れていない距離に位置しているが、中心星自体が非常に小さいため、惑星に降り注ぐ星の光は地球に降り注ぐ太陽の光と似ている。
TRAPPIST-1d惑星に非常に多様な化学成分を含んだ大気圏があれば、惑星が星の前を遮る間、星のスペクトルは化学成分によって中間が削り取られた痕跡が残るはずだ。ところが、今回観測したスペクトルを見るとかなり平坦だ。化学成分による吸収は非常に微々たるものだ。天文学者たちはメタン、二酸化炭素、水など様々な化学成分を仮定し、実際に観測されたこのスペクトルを最もよく説明できる状況を探した。しかし、メタン、一酸化炭素、水、二酸化炭素、二酸化硫黄など、いかなる成分も明確な信号を見せなかった。最初に分析したときは、アンモニア成分が有意な信号を示しているように見えたが、追加分析を通じて、これは実際の大気成分によるものではなく、惑星が前を横切るトランジットの間、中心星自体が不安定に揺れ動いたために起きた明るさの変化による一種の錯覚だったという結論を得た。
今回の分析結果、大きく二つの興味深い可能性が残る。一つ目は、この惑星に非常に高い密度で、低く停滞した薄い大気圏が存在する可能性だ。火星と似ている。このケースが観測データを最もよく説明する。二つ目は、金星のように大気圏の高い場所に厚い雲がびっしりと立ち込めており、大気成分によるスペクトルの吸収の痕跡自体をすべて隠してしまったということだ。こうした可能性は比較的低いが、完全に排除することはできない。私たちはこの惑星が地球に似ていることを望んだが、実際には火星や金星に近い世界である可能性が高い。もちろん、どちらも私たちが住めない世界だ。残念ながら、TRAPPIST-1にまだ未練を捨てきれない天文学者たちは、もう一度絶望した。
今回の発見が天文学者たちにとって特に苦い理由がある。TRAPPIST-1星は太陽に比べてはるかに矮小で小さな赤色矮星だ。そして、このようなタイプの星は宇宙で最もありふれている。太陽のような星に比べてはるかに小さく暗い赤色矮星の方がはるかにありふれているのだ。実際、これまで系外惑星が発見された星のほとんども、こうした赤色矮星である。ところが今回の発見は、赤色矮星では結局、生命が持ちこたえられないだろうという絶望的な結論を突きつけている。これまで私たちが発見した赤色矮星の周りを回る系外惑星のほとんどを、すべて諦めなければならないかもしれない。
赤色矮星は小さな星であるため、星の内外を混ぜる対流が非常に激しく起こる。それとともに星の表面の外側へ電荷を帯びた粒子が複雑に揺れ動き、星の表面に磁場が複雑に絡み合う。その磁場に沿って星の表面物質が速やかに噴き出し、星々は宇宙空間へエネルギーを吐き出すフレアを引き起こす。フレアが周辺の惑星をなぎ払って通り過ぎることで、惑星に残っていた大気圏が絶えず吹き飛ばされ、結局惑星は長い間大気圏を守ることができないだろう。中心星から降り注ぐ恒星風はそのまま惑星の表面に莫大な宇宙放射線を浴びせ、いかなる生命も持ちこたえられなくなるだろう。特に今回ジェイムズ・ウェッブが観測したd惑星はゴルディロックスゾーンの最も内側の境界にあるため、中心星との距離も近く、恒星風に最も脆弱であるはずだ。
それでは、もう少し遠くに離れたe、f、g惑星には期待してもよいだろうか？ もちろん中心星からわずかでも遠いため、まだ大気圏を守っている可能性もある。しかし中心星から距離が離れるほど観測は厄介だ。惑星が星の側を回る周期が長くなるため、トランジットを一度逃すと次のトランジットが起こるまでより長い待ち時間が必要になる。また、星と惑星の間の距離が遠いため、惑星の大気圏を通過する星の光の強さも弱まり、したがってスペクトルを把握することも難しくなる。不足した光をさらに集めるには、ジェイムズ・ウェッブよりも大きな望遠鏡を使わなければならないが、今のところ不可能だ。そのため、一度の観測ではなく、何度も観測して全体のデータを集め、かすかな信号をより明るく増幅する方法を使わなければならない。その結果、中心星からより遠く離れたe、f、g惑星に行くほど、分析可能なデータを確保するまでより長い待ち時間が必要となり、ジェイムズ・ウェッブの観測時間をより多く確保しなければならなくなる。
現実的な限界に直面し、天文学者たちはより本質的な質問を投げかけ始めた。果たして現存する観測技術で、私たちが探したい系外生命の確実な証拠を確認できるだろうか？ 私たちはこれまで、地球と似た環境と推定される場所を主に探し歩いてきた。地球に似ているということは、結局は小さな岩石惑星であり、木星のように厚くない、はるかに薄い大気に覆われた世界だという意味だ。ところが厄介なことに、未だ私たちの技術では木星のように厚い大気をまとっている場合にのみ、大気の存在を確認できる。地球のように薄い大気に覆われている状況については、まだ私たちの観測技術で確実に結論を下すのは難しい。
宇宙で最もありふれた星が赤色矮星だというのに、もう赤色矮星の周りの系外惑星には希望をすべて捨てなければならないのだろうか？ 多くの生命に満ち、騒がしく感じられた夜空が、突然静まり返ったようだ。
参考
https://www.nature.com/articles/s41467-024-52642-6
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/adf207
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/adf62e
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/adf42e
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06232-z
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という夢を持つようになった。現在、世宗大学校自由専攻学部助教授として、講演や執筆など様々な科学コミュニケーション活動を行っている。『날마다 우주 한 조각（毎日宇宙のかけら）』、『별이 빛나는 우주의 과학자들（星が輝く宇宙の科学者たち）』、『갈 수 없지만 알 수 있는（行けないけれど知ることができる）』、『우주를 보면 떠오르는 이상한 질문들（宇宙を見ると浮かぶ奇妙な質問たち）』などの著書があり、『진짜 우주를 여행하는 히치하이커를 위한 안내서（本当の宇宙を旅するヒッチハイカーのためのガイドブック）』、『나는 어쩌다 명왕성을 죽였나（私はどうして冥王星を殺したか）』、『퀀텀 라이프（クォンタムライフ）』、『코스미그래픽（コスミグラフィック）』などを翻訳した。