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系外惑星に住めるのか?

Posted by moonrainbow on 18.2019 太陽系外惑星   0 comments   0 trackback
赤色矮星の周囲における居住可能性を検討した研究成果が公開

2つの月を持った系外惑星の想像図
赤色矮星(奥)のハビタブルゾーンを公転する、2つの月を持った系外惑星の想像図(Credit: NASA/Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics/D. Aguilar)

太陽よりも小さく温度が低い赤色矮星(M型星)は天の川銀河の7割を占めるほどありふれた恒星で、太陽系外惑星の多くが赤色矮星の周辺で見つかっています。今回、赤色矮星を周回する太陽系外惑星の居住可能性を検討した研究成果が公開されました

■活発な赤色矮星の周囲は地球型の生命にとって住みにくい

ノースウェスタン大学のHoward Chen氏とDaniel Horton氏らの研究チームは、小さな恒星(※)の周囲を公転する岩石質の惑星にはどのような環境が広がっているのかを推定するために、三次元の気候モデルに化学的なアプローチを組み合わせてシミュレーションを行いました。

研究チームが仮定したのは、恒星が持つハビタブルゾーン(天体の表面で液体の水が維持される可能性がある範囲)の内側ギリギリを、恒星の潮汐力によって自転と公転の周期が同期した「潮汐固定(潮汐ロック)」の状態で周回している惑星の環境です。

さまざまな条件下でシミュレートした結果、フレアを放出するなど活動が活発な赤色矮星を周回する惑星では水蒸気による温室効果が暴走し、50億年以内に海が蒸発してしまう可能性が示されました。赤色矮星の寿命は数千億年から1兆年を超えるとも考えられており、50億年という期間は赤色矮星の一生においては短い時間だと言えます。

いっぽう、活動レベルが低い静かな赤色矮星の周辺では水蒸気の温室効果が暴走せず、長期間に渡り海が維持され得ることもわかりました。活発な赤色矮星の周辺は生命にとってきびしい環境だとする研究は過去にも行われていますが、やはり系外惑星で生命の痕跡を探そうとするなら、強力な紫外線をもたらす主星(恒星)の活動レベルは重要な指標となるようです。

※…表面温度およそ摂氏2300度~3700度の範囲。赤色矮星や、それよりも少し大きなK型星に相当


■薄いオゾン層しか持つことができない場合も

7つの系外惑星の想像図
赤色矮星「TRAPPIST-1」(左端)と、その周囲を公転する7つの系外惑星の想像図(Credit: NASA/JPL-Caltech)

また、温室効果が暴走するほどではなくても、水蒸気量の多い大気では薄いオゾン層しか持つことができないため、紫外線が地表まで簡単に届いてしまうことも判明しました。たとえ気温が快適でも有害な紫外線が降り注ぐ環境は、地球型の生命にとってはやはり住みにくい世界です。

赤色矮星の活動レベルは継続的な観測によって判明しますし、系外惑星の大気に含まれる水蒸気やオゾンは、現在活躍中の「ハッブル」宇宙望遠鏡や、2021年に打ち上げが予定されている「ジェイムズ・ウェッブ」宇宙望遠鏡で検出できるとされています。

問題は、鋭い目を持つ宇宙望遠鏡を、大量に見つかっている系外惑星のどれに向けるべきかが絞り込めないことでした。今回の研究成果によって、比較的多く見つかっている赤色矮星周辺の系外惑星のなかから、観測すべき候補を絞り込めるようになることが期待されています。

Chen氏は「どの惑星に生命が存在し得るかを予測できれば、『われわれは孤独なのか?』という大きな問いの答えを見つけられるかもしれません。それも、私たちが生きているうちに」とコメントしています


Image: NASA/Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics/D. Aguilar

2019/11/12
Soraeより

「全球凍結(スノーボールアース)」

Posted by moonrainbow on 03.2019 太陽系外惑星   0 comments   0 trackback
自転速度が遅い太陽系外惑星では「スノーボールアース」状態が長続きしない?

潮汐固定されていて水が豊富な系外惑星の想像図
潮汐固定されていて水が豊富な系外惑星の想像図。いつも昼の側には海面が広がるが、いつも夜の側は常に氷に覆われている(Credit: NASA/JPL-Caltech)

過去の地球では、地表のほとんどが赤道に至るまで雪や氷に覆われた時代が何度か訪れていたと考えられています。今回、「全球凍結」や「スノーボールアース」と呼ばれるこうした状態が太陽系外惑星でも起こり得るのか、その可能性をシミュレートした研究結果が報告されています

■「潮汐固定」された系外惑星は凍ってもすぐに融けやすい

アメリカ天文学会が2019年10月23日付で紹介している今回の研究では、7つの系外惑星が見つかっている「TRAPPIST-1」のように、太陽よりも小さな赤色矮星(M型の恒星)の周囲を公転する系外惑星における全球凍結の可能性が検討されています。

赤色矮星を周回する系外惑星のなかには恒星のかなり近くを公転しているものが多く、こうした惑星では恒星の重力がもたらす潮汐力によって公転と自転の周期が同期する「潮汐固定」(潮汐ロック)の状態にあると考えられています。

潮汐固定されている惑星では1日と1年がほぼ同じ長さになるので、惑星の片側がいつも昼、反対側はいつも夜の状態になります。シカゴ大学のJade Checlair氏を中心とした研究チームは、こうした系外惑星の大気と海がどのように熱を伝え合うのかを詳しく調べました。

架空の「地球と同じ大きさで、赤色矮星を50日で公転する系外惑星」をモデルに、大規模な火山噴火や天体衝突などによって地表が寒冷化する状況を研究チームがシミュレートしたところ、惑星全体が凍りつく全球凍結の状態はあまり長続きしないことがわかりました。

地球のように自転のほうが公転よりも速い惑星では全体にまんべんなく恒星の光が届くので、直感的にはこちらのほうがすぐに温まりそうですが、潮汐固定された惑星では常に同じ場所が温められ続けるため、一時的に全球凍結の状態になっても昼の側から比較的すぐに融けていき、その熱が風や海流によって周囲にも運ばれていくようです


■生命の進化にはマイナスの影響も?

全球凍結した地球の想像図
全球凍結した地球の想像図(Credit: NASA)

惑星の表面全体が凍りつくというひどく寒冷な環境が長続きしないことは、生命にとってはプラスに働くように思えますが、必ずしもそうとは言い切れません。

地球の全球凍結では、寒冷化によってそれまでに誕生した生物の多くが絶滅し、再び温暖な環境が戻ってきたときに別の生物が繁栄するという、進化を促進する側面があったと考えられています。

全球凍結が長期化しない系外惑星ではこうした淘汰が起こりにくく、仮に生命が誕生していたとしても、劇的な進化には至りにくい環境だと言えるのかもしれません

もあった

Image: NASA/JPL-Caltech

2019/10/27
Soraeより

太陽系外惑星の性質

Posted by moonrainbow on 29.2019 太陽系外惑星   0 comments   0 trackback
岩石質の太陽系外惑星は、地球や火星とよく似た化学的性質を持っていた

白色矮星(中央)とその周囲を公転する惑星や小天体の想像図
白色矮星(中央)とその周囲を公転する惑星や小天体の想像図(Credit: Mark Garlick)

現在の人類は、太陽系の外に存在する天体を直接調べる方法を持っていません。他の恒星を周回する太陽系外惑星については「大気にどんな分子が含まれているか」を理解できるようになってきましたが、系外惑星がどんな物質でできているのか、その内部はどうなっているのかについては、まだまだ未知の世界です

■系外惑星の痕跡は地球によく似た性質を示していた

今回、カリフォルニア大学ロサンゼルス校(UCLA)の大学院生Alexandra Doyle氏らは、地球に似た岩石質の系外惑星と太陽系の惑星が「化学的にどれくらい近いのか」を探るために、地球から200光年~665光年離れた6つの白色矮星に残された系外惑星の痕跡を調べました。

白色矮星は、太陽の8倍よりも軽い恒星が水素を核融合し尽くす過程でふくれ上がって赤色巨星となり、周囲にガスを放出したあとに残される天体です。もはや核融合で輝くことはなく、冷えていくいっぽうであるため、恒星としては死を迎えた姿と言えます。

白色矮星の大気に含まれる鉄、酸素、ケイ素、マグネシウム、カルシウム、アルミニウムといった地球でも馴染み深い元素について調べた結果、かつて恒星として輝いていた頃の白色矮星を周回していた岩石質の系外惑星は、地球や火星といった太陽系の惑星とよく似た化学的性質を持っていたことがわかりました。

系外惑星の性質が地球に似ているとすれば、そのなかにはマントルの対流によってもたらされるプレートテクトニクス(プレート運動)や、コアのダイナモ効果による磁場などが生じている惑星があるかもしれません。プレートテクトニクスや磁場は生命活動を支える要素でもあるため、そうした惑星には地球にみられるような生命の存在も期待されます


■系外惑星の化学組成を推定する思いがけないアイディア

白色矮星「シリウスB」(左)と地球(右)を比べたイメージ図
白色矮星「シリウスB」(左)と地球(右)を比べたイメージ図(Credit: ESA/NASA)

かつて存在していた系外惑星の化学組成を調べるために白色矮星を観測するというDoyle氏らが編み出した方法は、「太陽系の惑星にみられる化学的性質が宇宙では普遍的かどうか」を知るためのものでした。

のちに白色矮星となる恒星を惑星が周回していた場合、赤色巨星化した段階で飲み込まれるなどして、いずれ破壊されてしまうと考えられています。壊された惑星の破片はやがて白色矮星の重力につかまり、その内部に飲み込まれて外からは見えなくなってしまいます。

2019年10月18日付で「サイエンス」に掲載された論文では、白色矮星は地球と同じくらいのサイズに太陽の半分の質量が押し込められているために表面の重力がとても強く、ヘリウムよりも重い元素は速やかに内部へと沈みこんでしまうはずが、観測対象となった白色矮星の大気には重い元素が含まれており、破壊された系外惑星について知ることが可能だったとしています。

数光年以上離れた場所にある系外惑星の化学組成を直接知ることはまだできませんが、今回の研究によって、岩石質の系外惑星については地球とよく似た性質を持っている可能性が高まりました。打ち上げまであと1年半ほどに迫ったNASAの次世代宇宙望遠鏡「ジェイムズ・ウェッブ」をはじめ、今後の系外惑星探査によってもたらされる成果にも注目です


Image: Mark Garlick

2019/10/22
Soraeより

赤色矮星「GJ 15 A」と赤色矮星「GJ 15 B」

Posted by moonrainbow on 24.2019 太陽系外惑星   0 comments   0 trackback
熱い世界と冷たい世界。11光年先にある2つの太陽系外惑星は両極端な環境を持つ

スーパーアース「GJ 1214b」
赤色矮星(背景)の至近を公転するスーパーアース「GJ 1214b」(中央左上)の想像図。GJ 15 A bもこのように主星のすぐ近くを公転している(Credit: ESO/L. Calçada)

NASAの系外惑星探査プログラム(Exoplanet Exploration Program)は2019年10月16日付で、同じ恒星を巡りつつも極端な環境を持った2つの太陽系外惑星を紹介しています

■片方は11日、もう片方は20年かけて主星の周りを公転

2つの系外惑星があるのは地球からおよそ11光年先、アンドロメダ座の方向にある赤色矮星「GJ 15 A」の周囲です。GJ 15 Aは別の赤色矮星「GJ 15 B」と連星を成していて、連星全体は「Groombridge 34(グルームブリッジ34)」の別名でも知られています。

内側を公転する「GJ 15 A b」は、地球のおよそ3倍の質量を持つ、いわゆる「スーパーアース」に分類される系外惑星です。わずか11日で主星を公転する小さな軌道を描いていることからその表面温度は高く、摂氏270度以上と推定されています。

いっぽう、外側を公転する「GJ 15 A c」は、公転周期およそ20年という大きな軌道を描いています。重さは地球のおよそ36倍(木星のおよそ9分の1、海王星のおよそ2倍)で、ガスを主体とした惑星と考えられています。主星から遠く離れているため表面の温度もかなり低いとみられており、想像図でも土星のような輪や氷を含んだ衛星が描かれています


■主星のふらつき20年分の観測データから存在を確認

系外惑星「GJ 15 A c」の想像図
冷たい系外惑星「GJ 15 A c」の想像図。土星のような輪や凍った衛星が一緒に描かれている(Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center/Francis Reddy)

GJ 15 Aを巡る2つの系外惑星は、惑星の公転にあわせて主星が前後左右へと円を描くようにわずかにふらつく様子をキャッチする方法(視線速度法)で存在が確認されました。

主星のふらつきは、惑星が1回公転するごとに1巡します。公転周期が11日のGJ 15 A bがもたらすふらつきは11日ごとに繰り返されるので、比較的短期間の観測でも発見することが可能です。

いっぽう、主星を20年かけて公転するGJ 15 A cがもたらすふらつきは、20年経たないと1巡しません。実際、GJ 15 A cの存在は主星(GJ 15 A)の観測データ20年分を分析した結果から見出されています。

GJ 15 A bに限らず、主星の非常に近くを公転するために表面温度が極めて高い「ホットジュピター」のような系外惑星は、短期間の観測でも見つけやすいために数多く発見されています。しかし、GJ 15 A cのように長い時間をかけて公転する系外惑星は、何十年にも渡る地道な観測を続けることで、ようやくその存在を知ることができるのです。

なお、2つの系外惑星が見つかったGJ 15 Aは、複数の惑星を持つことが知られている恒星としては、現在のところ太陽系に一番近い星となっています


主星のふらつきを強調したイメージ動画
主星のふらつきを強調したイメージ動画。ふらつきの大きさと周期を調べることで、系外惑星の重さと軌道がわかる(Credit: NASA)

Image Credit: NASA, ESA, D. Jewitt (UCLA)
https://www.spacetelescope.org/news/heic1918/
2019/10/17
Soraeより

系外惑星「GJ 3512 b」

Posted by moonrainbow on 17.2019 太陽系外惑星   0 comments   0 trackback
小さな恒星に大きな惑星。予想外に巨大な太陽系外惑星が発見される

赤色矮星を公転するガス惑星の想像図

赤色矮星を公転するガス惑星の想像図(Credit: University of Warwick/Mark Garlick)ドイツのマックス・プランク天文学研究所は2019年9月26日、従来の理論では予想されていなかったサイズの太陽系外惑星が見つかったことを発表しました

■太陽と木星の比率より4倍も大きな系外惑星

発見された系外惑星の名は「GJ 3512 b」。地球からおよそ30光年先、おおぐま座の方向にある恒星「GJ 3512」を204日周期で公転しています。

GJ 3512 bの質量は最低でも木星の約半分(およそ46パーセント)とみられていますが、予想外だったのは主星であるGJ 3512との重さの比率です。

GJ 3512は太陽よりも小さな「赤色矮星」に分類される恒星で、その質量は太陽の12パーセントしかありません。今回見つかった系外惑星GJ 3512 bは、主星であるGJ 3512の270分の1以上の重さを持つということになります。

いっぽう太陽系の場合、木星の質量は太陽のおよそ1050分の1。主星に対する重さの比率を比べると、GJ 3512 bの比率は木星の4倍近くに達します。別の言い方をすれば、「太陽系に木星4個分以上の重さを持つ惑星が見つかった」ようなイメージです。

地球に近いサイズの系外惑星が7個も見つかっている恒星「TRAPPIST-1」などの例から、「小さな恒星である赤色矮星では、形成される惑星のサイズも小さくなる」と予想されてきました。今回の発見は、この予想を覆すものとして注目されています


7つの系外惑星の想像図
TRAPPIST-1(左端)と7つの系外惑星の想像図。赤色矮星ではこうした小さな惑星が形成されやすいと考えられてきた(Credit: NASA/JPL-Caltech)

■惑星のコアが最初に形成される「コア集積モデル」では説明できない

GJ 3512 bの軌道は、主星からの距離が0.2~0.5天文単位という楕円軌道(離心率およそ0.44)を描いています。研究チームは、過去に存在していた別の系外惑星がGJ 3512 bと相互作用した結果、一方は楕円軌道を描くようになり、もう一方は深宇宙に弾き出されたのではないかとしています。また、観測結果は、GJ 3512 bや弾き出されたものとはまた別の系外惑星が今も存在する可能性を示唆しているといいます。

惑星の形成に関する理論のひとつとして、生まれたばかりの恒星の周囲を取り巻くガスや塵の集まり(原始惑星系円盤)のなかで岩石質の微惑星が誕生し、周囲の塵やガスを急速に集めていく「コア集積モデル」が提唱されています。

しかし、Juan Carlos Morales氏率いる研究チームによると、GJ 3512ほど小さな恒星にGJ 3512 bのような惑星が2つも3つも形成されるケースは、コア集積モデルでは説明できないといいます。

研究チームは、GJ 3512 bはコア集積モデルではなく、主星から10天文単位以上離れた場所にあったガスや塵の集まりが自身の重力で収縮することで形成されたと予想。そのあとで主星に近い現在の軌道まで移動してきたとすれば、理論と観測結果の矛盾も解消されるとしています


Image Credit: University of Warwick/Mark Garlick

2019/9/28
Soraeより
 

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