ハッブル宇宙望遠鏡が約97光年先の太陽系外惑星で水蒸気を検出 海洋惑星の可能性も

モントリオール大学のPierre-Alexis Royさんを筆頭とする研究チームは、「うお座（魚座）」の方向約97光年先で見つかった太陽系外惑星「GJ 9827 d」の大気中に存在する水蒸気を検出したとする研究成果を発表しました。

研究チームによると、GJ 9827 dは地球と比べて直径は約1.96倍、質量は約3.4倍で、主星である恒星「GJ 9827」を約6.2日周期で公転しています。公転軌道が主星の近くにあるため、表面温度は金星に近い約425℃と推定されています。主星のGJ 9827は太陽と比べて直径と質量がどちらも約0.6倍、表面温度は約4030℃のK型星で、GJ 9827 dの他にも2つの系外惑星「GJ 9827 b」「GJ 9827 c」が見つかっています。

【▲ 太陽系外惑星「GJ 9827 d」（右上）の想像図（Credit: NASA, ESA, Leah Hustak and Ralf Crawford (STScI)）】

GJ 9827 dの大気組成を調べるために、研究チームは「ハッブル宇宙望遠鏡（Hubble Space Telescope：HST）」の「広視野カメラ3（WFC3）」を使用して、地球から見てGJ 9827 dが手前を横切る「トランジット」が起きた時のGJ 9827を観測しました（2017年12月から2020年12月にかけて11回）。GJ 9827 dに大気が存在する場合、トランジットが起きている時のGJ 9827の光にはGJ 9827 dの大気を通過した光も含まれているため、分光観測（※）を行うことでGJ 9827 dの大気組成を調べることができます。

※…電磁波の波長ごとの強さを示すスペクトルを得る観測方法のこと。スペクトルには原子や分子が特定の波長の電磁波を吸収したことで生じる暗い線「吸収線」や、反対に特定の波長の電磁波を放つことで生じる明るい線「輝線」が現れる。吸収線と輝線は合わせて「スペクトル線」と呼ばれる。分光観測を行うことで天体の化学組成を調べたり、スペクトル線のずれ具合をもとに視線方向の運動速度を割り出したりすることができる。

【▲ 参考画像：恒星（左）の光を利用して系外惑星（中央下）の大気組成を調べる手法のイメージ図。系外惑星の大気を構成する物質が一部の波長を吸収するため、大気を通過して地球（右）に届いた主星の光のスペクトル（透過スペクトル）を分析することで、惑星の大気組成を調べることができる。また、大気にヘイズ（もや）がある場合は青い光が散乱して、通過した光は少し赤くなる（Credit: ESO/M. Kornmesser）】

観測で得られたGJ 9827 dの透過スペクトル（惑星の大気を通過してから届いた主星の光のスペクトル）を分析した結果、波長1.4μmに吸収特性が見つかったことから、研究チームは水蒸気が検出されたと結論付けました。仮にGJ 9827 dの大気に雲があったとしてもその高度は低く、ハッブル宇宙望遠鏡の観測で雲の上にある水蒸気を検出できるとされています。研究チームによれば、GJ 9827 dはこれまでに大気中の水蒸気が検出された最小の系外惑星となりました。

ただし、GJ 9827 dの大気を構成する物質全体に対して水蒸気の占める割合がどれくらいなのかはまだ結論が出ておらず、「水素が豊富な大気中に少量の水蒸気が含まれている場合」あるいは「水素やヘリウムでできた原始的な大気を失った後に残された水蒸気を主成分とする大気が存在する場合」の2通りが考えられるようです。

前者の場合、GJ 9827 dはミニ・ネプチューン（mini Neptune）やサブ・ネプチューン（sub Neptune、亜海王星）と呼ばれるタイプの惑星ということになります。後者の場合は太陽系の氷衛星のように水と岩の比率がおよそ半分ずつで、小さな岩石質の本体が大量の水蒸気に包まれている惑星の可能性があるといい、ハッブル宇宙望遠鏡を運用する宇宙望遠鏡科学研究所（STScI）ではその様子を「木星の衛星エウロパのより温かいバージョン」と表現しています。研究の筆頭著者であるRoyさんは、どちらの場合だったとしても興味深いとコメントしています。

質量が比較的小さく、主星のGJ 9827に近い軌道を公転しているために、GJ 9827 dは10億年ごとに地球の質量の半分以上に相当する物質を失っていると推定されています。GJ 9827 dは形成されてからすでに約60億年が経っているとみられることから、膨張した水素やヘリウムの大気を今も保持している可能性は低く、水蒸気の豊富な大気を持つ海洋惑星（Water world、表面を厚い水の層に覆われた惑星）と仮定するほうがハッブル宇宙望遠鏡や地上からの観測データをうまく説明できると研究チームは考えています。

また、GJ 9827 dは「ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（James Webb Space Telescope：JWST）」の重要な観測対象となったことから、海洋惑星の可能性があるGJ 9827 dの性質が確認されると同時に、主に水蒸気でできた大気が初めて直接検出されるかもしれないと研究チームは期待を寄せています。研究チームの成果をまとめた論文はThe Astrophysical Journal Lettersに掲載されています。

 

Source

STScI - NASA's Hubble Finds Water Vapor in Small Exoplanet's Atmosphere ESA/Hubble - Hubble finds water vapour in small exoplanet’s atmosphere Roy et al. - Water Absorption in the Transmission Spectrum of the Water World Candidate GJ 9827 d (The Astrophysical Journal Letters)

文／sorae編集部