物理学に反する2つの『超軽量』惑星：綿菓子より軽いガス巨人
注目画像： TOI-791星系を描いた想像図。2つの超軽量惑星が恒星を周回している。クレジット：NASA/Daniel Rutter
天文学者らは、あまりにも異常に低密度なため、綿菓子でさえ密度が高く見えるほどである2つの惑星の存在を確認した。南天の星座・Volans方向、約1,120光年離れた恒星TOI-791を公転するこの2つのガス巨星は、これまでに発見された中で最も密度の低い惑星である。内側の惑星TOI-791 bの密度はわずか0.038 g/cm³で、綿菓子の約3分の1の密度である。
比較のために言うと、木星の密度は1.33 g/cm³である。太陽系で最も密度の低い土星は0.69 g/cm³で浮かんでいる。岩石質の地球は5.5 g/cm³である。TOI-791 bは木星とほぼ同じ直径でありながら、質量はわずか3％しかない。その伴星TOI-791 cは木星よりも大きく、さらに軽い。
この研究成果は王立天文学会月報（MNRAS）に掲載され、先週、オックスフォード大学のジョージ・ドランスフィールド博士率いるチームによって発表された。
「超軽量惑星はいくつか知られていますが、同じ星系に2つも見つかるのはさらに稀なことです」とドランスフィールド博士は述べた。「その極めて低い密度は、惑星系の形成と進化を理解するための魅力的な研究対象です。」
軽い惑星の重さをどう測るか？
本質的に希薄なガスで覆われた惑星の質量を測定することは、大きな課題である。研究チームは、2つの惑星間の重力の相互作用を利用したTTV（通過タイミング変動法）と呼ばれる手法でこの偉業を成し遂げた。各惑星が恒星の前を通過する際、もう一方の重力がわずかに前後に引っ張り、通過タイミングに測定可能なずれを生じさせる。この微小な変動から惑星の質量が導き出される。
データはNASAのTESS（トランジット系外惑星探査衛星）によるもので、7年間、合計1,122日の観測期間にわたってこの星系を観測した。しかし全体像を捉えるには、南極という異例の場所からの地上観測が必要だった。
南極のコンコルディア基地でコートダジュール大学が運用するASTEP望遠鏡は、惑星の異常に長い通過を観測する上で極めて重要だった。TOI-791 bは139日、TOI-791 cは232日で恒星を公転しており、通常数日から数週間で公転する既知のトランジット系外惑星よりもはるかに長い。各通過は11時間以上続き、地上から完全に観測された中で最も長い連続惑星通過である。南極の冬の数ヶ月間続く中断のない暗闇が、この長距離観測を成功させた唯一の場所となった。
これらの惑星は5：3の平均運動共鳴に固定されている。TOI-791 bが5回公転するごとに、TOI-791 cはほぼ正確に3回公転する。この共鳴は質量測定を可能にしただけでなく、惑星系形成の初期に、惑星が原始惑星系円盤内を一緒に内側へ移動してきたことを示唆する、系の力学的歴史についての手がかりも提供する。
惑星形成モデルへの挑戦
超軽量惑星は、巨大惑星形成の標準的なコア集積モデルに疑問を投げかける。この理論では、暴走的なガス集積を引き起こすには約10地球質量の固体コアが必要とされている。木星サイズの体積に木星質量のわずか3％しか持たないTOI-791 bには、実質的なコアがまったく存在しないように見える。
有力な仮説は、これらの惑星が恒星から遠く離れた原始惑星系円盤の冷たい領域で巨大な水素とヘリウムの大気を蓄積し、ガスがはるかに小さな種の周りで急速に冷却・集積したというものだ。現在の軌道（0.6および0.86天文単位、金星と太陽の距離に相当）は、後に内側へ移動したことを示唆している。
NASAエイムズ研究センターの科学責任者ジョン・ジェンキンス氏は、これらの惑星は「木星のような巨大惑星と超軽量惑星がどのように形成されるかについて、私たちが解くべき謎」だと述べた。
複数の超軽量惑星が存在することが知られている星系は他に4つしかなく、TOI-791は比較惑星科学にとって極めて稀な研究対象となっている。研究チームは、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡による追跡観測をすでに提案しており、軽い大気に炭素、窒素、酸素を含む分子が含まれているかどうかを評価し、これらの異例の世界がどのように形成・進化したかを解明しようとしている。
バーミンガム大学のアマウリー・トリアウド教授（ASTEPプロジェクト英国主任研究員）は、JWSTの観測によって「これらの異常な惑星がどのように形成されたかについて新たな洞察が得られる」と述べた。
この発見は市民科学の価値も浮き彫りにしている。両惑星の候補は当初、アマチュア天文学者がTESSデータをスキャンして通過信号を探すボランティア活動であるPlanet Hunters TESSプロジェクトによって発見された。TOI-791 bは2019年、TOI-791 cは2023年に特定され、プロの天文学者が確認するよりも数年早かった。
「この発見は、天文学における継続的な国際協力の重要性を強調しています」と、ASTEP主任研究員のトリスタン・ギヨ教授（コートダジュール大学）は述べた。「南極、宇宙望遠鏡、そして複数の大陸にわたる観測所からの観測を結集することが、これらの異常な惑星の真の姿を明らかにするために不可欠でした。」
翻訳：雅子（1ban.news）