天の川銀河で最も一般的なタイプの惑星が、そのかすんだ外層の下に秘密を隠している可能性がある。
サブネプチューンは、海王星よりわずかに小さいが、一般的な意味での固体表面を欠く惑星で、確認されている6 300以上の系外惑星のうち約3 300を占める。しかし、それらは銀河系で最も理解が進んでいない惑星天体のままである。太陽系には参考となる類似天体がなく、その厚く曇った大気は最も強力な望遠鏡でさえも観測を困難にしている。
シカゴ大学の研究者らが主導した新たな研究は、問題はこれまで考えられていたよりも根本的なものである可能性を示唆している。すなわち、これらの惑星に存在するはずだと科学者が知っている水が、現在の観測技術では単に見えないだけかもしれないというのだ。
研究チームは、2019年に発見され、がか座に約73光年離れたサブネプチューンTOI-270 dに着目した。この惑星の半径は地球の約2倍、質量は地球の約4.2倍で、11.4日ごとに赤色矮星を一周する。TOI-270 dとその2つの姉妹惑星は、すべて恒星のハビタブルゾーンの内側の端を公転している。
ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡による以前の観測では、この惑星の大気中に二酸化炭素、メタン、分子状水素が検出された。これらのガスの組み合わせは通常、水の存在を示すが、ウェッブの機器はその状態や量を特定できなかった。水が蒸気、液体、高圧氷のいずれとして存在するのか、水素と自由に混合しているのか分離したままなのかは不明だった。
博士研究員のキャロライン・ピオレ=ゴライエブ氏が率いる研究チームは、TOI-270 dの大気化学と内部構造の両方を同時にシミュレートするコンピュータモデルを構築した。シミュレーションにより、惑星表面の約537度の温度と、惑星全体の組成における水と水素の比率が、2つの物質の振る舞いを決定することが明らかになった。
TOI-270 dの場合、モデルは水が惑星の全組成において水素よりも豊富であることを示した。シミュレートされた温度では、その過剰な水は凝縮し、水素に富む上部大気の下に沈む可能性が高い。水素層は遮蔽障壁として機能し、深部の水からの電磁信号が宇宙の望遠鏡に届くのを防ぐ。トランジット中に系外惑星の大気を探査する赤外線感度を備えたウェッブでさえ、上部の水素と微量ガスのみを観測することになるだろう。
この発見は、サブネプチューンの内部がよく混合され、水と水素が大気中およびその下に均等に分布しているという長年の仮定に疑問を投げかける。研究は代わりに、これらの惑星の多くが、物質を容易に交換しない明確な層を持つ分離した内部構造を持っていることを提案している。
この結果がより広い惑星群に当てはまる場合、サブネプチューン上の水含有量の現在の推定値が系統的に低い可能性があることを意味する。その影響は惑星科学を超えて広がる。水は地球を超えた居住可能環境の探索の中心であり、銀河系で最も一般的な惑星タイプにどれだけの水が存在するかを理解することは、惑星形成のモデルと生命の潜在的な分布に影響を与える。
著者らは、層状内部仮説を検証するには将来の望遠鏡が不可欠であると指摘している。2026年8月30日に打ち上げが予定されているNASAのナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡は、系外惑星を直接撮像するように設計されたコロナグラフを搭載しており、大気成分の分布に関する詳細を明らかにする可能性がある。地上では、チリのアタカマ砂漠で建設中の欧州南天天文台の超大型望遠鏡が2030年12月頃に科学運用を開始する予定で、現在の観測所よりも高い解像度で系外惑星の大気を研究する能力を持つ。
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雅子 訳