[비즈한국] ジェームズ・キャメロンのフランチャイズ『アバター』の新しいシリーズがまもなく公開される。前作は水の惑星が舞台だったが、今回は火と灰の惑星を描く予定だという。映画『アバター』の主な舞台は、異星の惑星パンドラだ。多くの観客はパンドラを単なる異星の惑星だと思っているが、実はそうではない。パンドラは、ポリフェモスという巨大なガス惑星の周りを回る衛星なのだ！太陽系から最も近い4.2光年先に位置するプロキシマ・ケンタウリという星のそばにポリフェモスがあり、その周りを回る衛星こそがパンドラである。最近、映画の中の物語を現実のものにするための興味深い実験が行われた。現実版パンドラを見つけようとする極めて具体的な計画が提示されたのだ。
異星の惑星ではなく、異星の衛星を舞台に設定したことは非常に興味深い。実際の天文学者たちも、今や巨大ガス惑星を回る衛星に生命が存在する可能性を考慮しているからだ。太陽系の惑星はわずか8つだが、その周りを回る衛星の数は400を超える。中でも木星や土星の周りを回るエウロパ、ガニメデ、エンケラドゥス、タイタンなどには、地下海があり大気層まで持つ驚くべき環境がある。異星の衛星に対する視点が変わることで、地球外生命体の可能性はより一層高まった。
最近、その存在が徐々に明らかになりつつある「現実版パンドラ」は、遠くを探さずとも、太陽系のすぐ隣に生命体が存在するかもしれないという興味深い可能性を示している。
我々はこれまで、6,000個、多ければ1万個近い太陽系外惑星を発見してきた。当然、そのそばにはさらに多くの衛星が存在するはずだ。であれば、惑星だけでなく衛星も詳細に観察すべきではないだろうか。しかし、それは容易ではない。衛星は惑星に比べて極端に小さい。太陽系で最大の衛星であるガニメデでさえ、その大きさは水星程度だ。そのため、一般的に行われている太陽系外惑星の探査手法を、そのまま衛星の探索に応用することは困難である。
通常、太陽系外惑星の探索方法には以下のようなものがある。中心星の前を惑星が横切る際に星の光が暗くなる「トランジット法」を活用したり、星のそばを回る重い惑星の重力によって星がわずかに揺れる様子を利用したりする。あるいは、惑星自身の重力で周辺の時空がわずかに歪む「微小重力レンズ効果」を用いることもある。ところが、体の小さい衛星の場合、これら3つの方法すべてにおいて明確な痕跡を見つけることは難しい。周囲を回る何らかの天体によって中心の星に変化が生じることを検知しなければならないのだが、衛星は星に比べてあまりに小さすぎる。衛星が星の周りで動いたとしても、星に外から見てわかるような変化を引き起こすことは困難なのだ。
そこで天文学者たちは、体格が比較的近い惑星の変化に着目した。中心星プロキシマ・ケンタウリを衛星が目立つほど揺らすのは難しいが、すぐそばにある惑星には影響を与える可能性がある。幸い、プロキシマ・ケンタウリのそばには巨大なガス惑星が存在している。本当にそのそばに衛星があるとして、今後何年観測すればその存在を確認できるだろうか？
天文学者たちは、そばに地球質量の30倍という重い衛星があると仮定してシミュレーションを行った。すると、プロキシマ・ケンタウリの周りを回る惑星の軌道がわずかに揺らいだ。惑星自身の軌道成分を除去すれば、純粋に周辺の衛星による重力摂動の効果を抽出できる。もちろん、地球質量の30倍もある衛星は、我々が期待する一般的な衛星とは言えない。これほどの規模であれば、それはもはや大きな惑星そのものだ。そのため天文学者たちは、より現実的なレベルの衛星を想定してさらなる実験を行った。
想定する衛星の質量が軽くなるほど、観測される惑星の動きの歪みもわずかになる。したがって、わずか1〜2年の観測では有意義な判断を下すことは難しい。軌道の歪みがわずかに見えたとしても、それが本当に軌道摂動によるものなのか、あるいは単なる観測ノイズなのかを区別するのが難しいからだ。そこで天文学者たちは仮想の観測環境を設定し、衛星の存在を意味のある形で判断するためにどれほど長い観測時間が必要か、またどれほど強力な望遠鏡が必要かを計算した。
より現実的な、地球質量の半分から10%程度の小さな衛星を想定した。その結果、衛星の存在を統計的に有意と判断するためには、最低でも5年間の観測を行い、十分なデータを蓄積する必要があることがわかった。4日から30日の周期で回る様々な衛星を想定しても、いずれも衛星の存在と軌道を把握することが可能であった。このように天体が夜空で見せるわずかな動きの変化を分析することを「位置天文学（Astrometry）」と呼ぶ。
シミュレーションによれば、このような位置天文学の手法でプロキシマ・ケンタウリの惑星周辺で見つけることができる衛星は、少なくとも地球質量の20%以上の重さが必要である。それより軽ければ、いかに長く観測しても有意な判断を下すことは難しい。もちろん、この程度の質量であっても、地球質量の1%しかない我々の月に比べればはるかに重い。
ただし、ここにはもう一つ落とし穴がある。このようにして衛星を発見するには、5年間、1時間ごとに観測し続けなければならない。間隔を空けて観測すれば、有意なデータが蓄積されるまでにはより長い時間が必要となる。つまり、5年間ずっとその星と惑星の一つだけを見つめ続ける、専用の望遠鏡が必要だということだ。プロキシマ・ケンタウリは太陽系から最も近く、遠くない将来に人類が探査機を送り、その素顔を直接撮影しようと試みる場所でもある。また、映画『アバター』の主な舞台として多くのSFファンをときめかせる場所でもある。だからといって、巨大な望遠鏡の時間をすべて捧げるほどの価値があるのだろうか？それに見合う試みなのだろうか？
より巨大な望遠鏡であれば、状況は多少改善するかもしれない。現在ヨーロッパでは、直径39mに達する新しい巨大望遠鏡「E-ELT」が建設されている。また、太陽系外惑星と生命の痕跡を探すためだけに、直径6〜8mの新しい宇宙望遠鏡「Habitable Worlds Observatory (HWO)」の製作も進んでいる。こうした望遠鏡であれば、1日に1回程度の観測でも5年あれば衛星の有無を判断できるだけの有意な観測データを蓄積できるだろう。もちろん、この程度の頻度でも望遠鏡が特定の天体をひいきしていることには変わりないが。
最近、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡はプロキシマ・ケンタウリと共に三重連星系を成すアルファ・ケンタウリを標的にした。そして、そこで太陽系外惑星の姿を直接撮影することに成功した！ただ残念ながら、この惑星が生命を宿している可能性はさらに低くなった。岩石惑星ではなく、ガス惑星のようだからだ。もちろん、その周りに別の氷の衛星があれば希望は捨てきれない。しかし、衛星の生命の可能性を論じる前に、我々が住む太陽系の他の惑星の衛星から生命の有無を確認するのが先ではないだろうか。
プロキシマ・ケンタウリは、我々に最も近いからこそ最も愛され、最も多くの想像力が広がる舞台である。果たしてここは、それだけの時間とエネルギーを注ぎ込む価値があるほど特別な場所なのだろうか？本当にそこに惑星を超えた衛星が隠れているのだろうか？
つい最近まで、我々は夜空を見上げても星を想像することしかできなかったが、今やその星のそばにあるであろう数多くの惑星を想像できるようになった。そして遠くないうちに、その周りを回るさらに多くの衛星まで想像するようになるだろう。目の前に広がる宇宙の風景に変わりはないが、我々はますます賑やかで活気に満ちた宇宙を感じ始めている。
参考
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae0741
筆者チ・ウンベは？猫と宇宙を愛する。幼い頃に『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。現在は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。『毎日宇宙の一欠片』、『星が輝く宇宙の科学者たち』、『行くことはできないが知ることができる』、『宇宙を見ると浮かぶ変な質問たち』などの著書があり、『宇宙を旅するヒッチハイクのためのガイドブック』、『私はどうして冥王星を殺したのか』、『クォンタム・ライフ』、『コスミグラフィック』などの翻訳を手がけた。