大気から水蒸気が検出された系外惑星「K2-18b」を描いた想像図（Credit: ESA/Hubble, M. Kornmesser）
太陽以外の恒星などを周回する太陽系外惑星は、この四半世紀ほどの間に4000個以上が発見されています。太陽系には岩石惑星（地球など）、ガス惑星（木星と土星）、氷惑星（天王星と海王星）がありますが、太陽系外では恒星のすぐ近くを公転する高温の惑星（サイズによってホットジュピターやホットネプチューンなどと呼ばれる）のように、太陽系のものとは異なるタイプの惑星が幾つも見つかっています。
シカゴ大学のEdwin Kite氏とスタンフォード大学のLaura Schaefer氏は、高温の系外惑星の一部が主に水蒸気でできた大気を持つ可能性を示した研究成果を発表しました。両氏によると、岩石惑星の一部は惑星の内部から放出された水蒸気に包まれており、水蒸気の大気は何十億年にも渡り維持されることも考えられるといいます。
系外惑星のなかには地球と海王星の中間にあたるサイズの「スーパーアース」（大きな地球型惑星）や「サブネプチューン」（小さな海王星型惑星）と呼ばれるタイプの惑星も多く見つかっています。Kite氏は「私たちが住む太陽系には存在しませんが、海王星よりもやや小さな系外惑星が豊富なことには驚かされました」と語ります。両氏は今回このタイプの系外惑星について、大気がどのように進化するのかを分析しました。
サブネプチューンは水素ガスが豊富な大気を持つ惑星として形成されるものの、公転周期が100日を下回るような主星に近い軌道を公転する場合、主星の強い放射によって大気が剥ぎ取られて岩石質のコア（核）が残されると考えられています。ただ、水素ガスの多くを失った岩石惑星（かつてのサブネプチューンのコア）が依然として大気を持ち得るかどうかはわかっていなかったと両氏は指摘します。
両氏によると、サブネプチューンが水素ガスの大気を失うことで岩石質のスーパーアース（今回の研究では直径が地球の1～1.7倍と想定）へと変化する過程において、マグマオーシャンを介して水素の一部が惑星の内部に取り込まれることが考えられるといいます。水素を取り込んだマグマには酸化鉄が還元されることで生成された水が大量に貯蔵されることになり、この水が水素ガスの大気が失われた後で水蒸気として放出されることで、水蒸気が豊富な大気が長期間維持される可能性があるとされています。
地球は表面に液体の水が存在する惑星ですが、宇宙を見渡せば液体ではなく気体の水（水蒸気）に包まれた惑星がめずらしくないのかもしれません。両氏は2021年10月に打ち上げ予定の宇宙望遠鏡「ジェイムズ・ウェッブ」によって今回の成果が検証できることに期待を寄せています。
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Image Credit: Engine House VFX, At-Bristol Science Centre, University of Exeter
Source: シカゴ大学
文／松村武宏