太陽系を超えて広がる惑星に関する 10 の事実

Sep 05, 2023

想像するのは難しいですが、ハッブル宇宙望遠鏡が打ち上げられた 1990 年当時、私たちは太陽系内の惑星を超える惑星をまだ発見していませんでした。 それらが存在することはかなり確信していましたが、それが珍しいのか、一般的なのか、どこにでもあるのかはわかりませんでした。 岩石惑星や巨大ガス惑星が「普通の」惑星なのか、それとも私たちの太陽系にはない他の種類の惑星があるのか​​どうかは分かりませんでした。 そして、良くも悪くも、私たちは太陽系が比較的典型的であり、内部の岩石惑星、小惑星帯、巨大ガス惑星、カイパーベルトとその向こうにあるオールトの雲からなる太陽系の構造が、すべてではないにしても、ほとんどの他の惑星系のテンプレートです。

過去 30 年ほどがどれほどワイルドな旅だったのか、そして彼らがどれほど私たちの思い込みを覆したことか。 5,000 を超える系外惑星が現在私たちの監視下にあり、他の多くの原始惑星系円盤 (惑星が形成される場所) が直接画像化されているため、私たちは今、当初考えていたことの多くがまったく思い上がりすぎていたこと、そして自然が驚きに満ちていることを認識しています。 1990 年当時、ほとんどすべての現役天文学者が驚いたであろう、そして今でもあなたを驚かせるかもしれない、惑星に関する 10 の事実をご紹介します。

1.) すべての星がそれらを持てるわけではありません 。 系外惑星科学者を待っていた最初の驚きの 1 つは、ケプラーのミッションが最初に 100,000 個以上の星からなる広大な領域を調査し、惑星の通過を探し始めたときに起こりました。 惑星が親星の前を通過すると、星の光の一部が遮られます。 複数の軌道と複数の通過が蓄積されると、系外惑星の軌道距離と物理的サイズをより正確に特定できるようになります。 当初、私たちが見ていた星の数と、特定の視線から観測できる太陽面通過の幾何学的な確率に基づいて、おそらく〜100%の星に惑星があるように見えました。

しかし、そうではないことが判明しました。 金属量、つまり星内の水素やヘリウムより重い元素の割合によって星を分類すると、惑星の存在量には明らかな減少が見られます。 太陽にある重元素の 25% 以上を含むほぼすべての恒星には惑星があり、太陽の重元素の 10 ～ 25% を含む恒星の一部のみが惑星を持ち、重元素の 10% 未満を含む恒星は 2 ～ 3 つだけです。太陽の重元素には惑星が存在します。 前の世代の星によって十分に濃縮された物質から形成されない限り、その星には惑星が存在しない可能性があります。

2.) 超海王星 (またはミニ土星) はまれです 。 私たちは太陽系から、巨大ガス惑星には少なくとも 2 つの異なるサイズがあることを知っていました。海王星や天王星のような地球の半径の約 4 倍と、木星や土星のような地球の半径の約 10 倍です。 しかし、他に何が見つかるでしょうか? このようなサイズの世界は一般的でしょうか、それとも珍しいのでしょうか? 超木星、海王星と土星の中間の大きさの「トゥイーナー」、あるいはミニ海王星のような、私たちの太陽系で見つかったものとは異なる性質を持った巨大ガス惑星が多数発見されるのでしょうか？

木星サイズと海王星サイズの惑星は両方とも非常に一般的であり、ミニ海王星も海王星世界よりもさらに一般的であることが判明しました。 しかし、海王星と土星の中間の大きさの惑星はまったく存在せず、地球の半径 5 ～ 9 の間の大きさで惑星が形成されることを避ける傾向がある物理的な理由があることを示唆しています。 その理由はまだ調査中ですが、海王星と木星が共通である一方で、その中間の世界は共通ではないということを知るのは素晴らしいことです。

3.) 超遠方の巨大ガス惑星はかなり一般的である 。 ここ太陽系には、地球と太陽の距離の 30 倍、つまり 30 天文単位 (AU) を超える大きな「崖」があります。 その距離の内側には 8 つの主要な惑星がありますが、その距離を超えると最小の惑星である水星と同じ大きさの惑星はありません。

しかし、多くの星の周りには、その系の主星から 50 天文単位、100 天文単位、さらには数百天文単位という、かなり離れたところに巨大な惑星が存在します。 これらの惑星の中には、核の温度が 100 万 K を超えるほど大きく、重水素が融合して褐色矮星になるものもありますが、他の惑星はその質量閾値を下回り、代わりに木星と同様に赤外線のみを生成します。

これらのシステムは、HR 8799 (上) と同様、直接イメージングに最適なシステムの一部であり、これまでに直接イメージングされた系外惑星を数多く明らかにしてきました。

4.) 多くの惑星は親星が無く孤児です 。 この宇宙では、見たものと得られるものは同じではありません。 それは、あなたが得たものの中で現在まで生き残ったほんの一部を代表するものにすぎません。 これは私たちの太陽系にも当てはまり、現在では多くの人が、私たちの初期の歴史に5番目の巨大ガス惑星が存在し、はるか昔に放出されたと考えていますが、それは宇宙の他の場所でも当てはまります。 親星とともに残る惑星もあれば、弾き出されて孤児（またははぐれ惑星）として宇宙をさまよう惑星もあれば、星を形成するには質量が低すぎた物質の塊の周囲の星形成領域に存在する可能性が非常に高い惑星もあります。

幸いなことに、これらの不正惑星を明らかにするための新しい方法、重力マイクロレンズが使用され始めています。 これらの惑星が銀河系を移動するとき、それらは必然的に私たちの視線を通過して 1 つまたは複数の星に到達します。その際、それらの重力により、同じ位置にある星のうちの 1 つからの光が曲がり、歪められ、一時的に拡大されます。出演者。 その特徴的なマイクロレンズ信号は何度か観測されており、他の方法では目に見えないこれらの孤立した惑星を明らかにしています。 天文台の改良と広視野連続撮像の拡大により、マイクロレンズはいつか他のすべての方法を組み合わせたよりも多くの系外惑星の総数を明らかにできるかもしれません。

5.) 超高温の惑星は検出するのが最も簡単です 。 私たちの太陽系に関して言えば、水星は太陽に最も近い惑星であり、公転周期はわずか 88 日で、日中の最高気温は 800 °F (427 °C) を超えます。 しかし、私たちが発見した系外惑星の中には、数千度の温度を持ち、わずか数日、あるいは数時間で親星の周りを一周するものもあります。

これには十分な理由があることがわかりました。私たちが使用する 2 つの方法、動径速度法 (周回惑星の重力の影響による星の「ぐらつき」を測定する) とトランジット法 (周期的な速度を測定する) です。周回惑星が光を遮るにつれて親星が暗くなる）はどちらも、親星の非常に近くを周回する惑星に偏っています。

最初に発見された系外惑星は熱くて巨大でしたが、現在では親星に非常に近いあらゆる質量の惑星が多数発見されています。 それは、それらが非常に一般的だからではなく、高速で移動する惑星は親星の動きにより劇的な変化をもたらし、同じ観測時間でより多くの数の太陽面通過を観測できるようにするためです。 さらなる高温惑星の証拠を求めて私たちが監視してきた星をもう一度調べる価値はありません。 おそらく、私たちが見てきた視野の中で、それらのほとんどをすでに見たことがあるでしょう。

6.) 惑星形成ガスが消えた後も長い間、塵のような破片が残る 。 これは、ごく最近になって初めて明らかにされたちょっとしたパズルでした。 私たちは惑星の形成が非常に早く起こり、若い星の周りにガスが残っている限りのみ可能であることを長い間知っていました。 原始惑星系円盤が蒸発すると、惑星の形成は完了します。 一方、塵は 2 つの天体が衝突するたびに生成され、彗星の嵐、小惑星同士の衝突、または岩体との衝突、またはその他のいくつかの激しい出来事によって引き起こされる可能性があります。

しかし、新しく形成された星の周囲では、ガスはおそらくわずか 1,000 万年から 2,000 万年後にすべて消滅しますが、塵は恒星系全体で数億年 (おそらく 10 億年以上) 存続する可能性があります。 多くの星系がカイパーベルトの類似物内に塵を示していますが、最近の観測では、次のようないくつかの大きな驚きが示されています。

これらの手がかりは、興味深い可能性をもたらします。おそらく、私たちの太陽系も、初期の砲撃期間中に、かつては塵の多い星系だったかもしれません。

7.) 小惑星帯とカイパーベルトは氷山の一角にすぎません 。 私たちは当初、小惑星帯とカイパーベルトは理にかなっており、恒星系の普遍的な特性であるかもしれないと考えていました。 結局のところ、宇宙で形成されるさまざまな種類の氷にはそれぞれ独自の融解点、沸騰点、昇華点があり、それによって一連の「フロスト ライン」、つまり特定の種類の氷が存在する境界に位置する場所が形成されます。 (水の氷、ドライアイス、メタンの氷、窒素の氷など) は星の周りに存在することもできないこともある。 これらの線は、内部惑星と外部惑星の間で小惑星の帯が形成される場所に対応している必要があります。

同様に、系内の最後の惑星、つまりカイパーベルトを越えたところには、小さな微惑星の集合体が残されているはずです。 では、フォーマルハウト付近で先ほど観察したように、なぜ中距離に 3 番目のベルトが見えるのでしょうか? カイパーベルトと小惑星帯以上のものを持つ星系は他にあるのでしょうか?また、それらの存在はどのような物理的形成メカニズムによって引き起こされているのでしょうか? 私たちの太陽系でもこの点では一般的なのでしょうか、それとも複数（おそらく3つ以上）のベルトが標準なのでしょうか？ 私たちはまさに科学の最前線にいますが、これはまったく予想外の発見です。

8.) 多星系には一重星とほぼ同じくらい簡単に惑星ができる 。 長い間、惑星が昼間の空で複数の太陽に似た星を観察するタトゥイーンのような星系のアイデアは、物理的に不可能なものとして扱われてきました。 その理論的根拠は、重力三体問題により、近くに複数の大きな質量を持って周回する惑星はいずれも最終的にはじき出され、そのような系を物理学界で私たちが「動的に不安定」と呼ぶものになるというものでした。

これは技術的には真実ですが、その不安定性の時間スケールは数百億年に及ぶ可能性があり、これは宇宙の年齢よりも長いです。 周回する星のペアごとに、準安定な領域が 3 つあります。

私たちは現在、これら 3 つのカテゴリすべてに該当する系外惑星を発見しており、単一系内の恒星間の相対質量と距離によって設定される重力的に不安定ないくつかの領域を除いて、惑星が活動できる場所はたくさんあるという理解につながりました。恒星系の寿命にわたって安定して周回します。 やがて、一重星系と同じ割合の多星系に惑星が存在することが判明するかもしれません。

9.) 地球よりもわずかに大きくても、岩だらけで生命に優しいものであることはできる 。 地球より大きく、海王星より小さい質量と半径を持つ系外惑星を初めて発見したとき、私たちは本当に時期尚早の結論に飛びつきました。私たちはそれらをスーパーアース世界と呼びました。 これらの世界について考えるのは魅力的な方法ですが、私たちの単純な系外惑星検出方法は、これらの世界の大気を測定して特徴付ける感度にまだ達していないため、これらの世界をミニ海王星として考えるのも同様に魅力的です。 それらが薄くて表面が岩だらけであれば、それらは地球に似ていると予想されます。 固体表面に到達する前にそれらが厚く、大きな揮発性ガスのエンベロープを持っている場合、それらは海王星のようなものであると予想されます。

系外惑星の質量、系外惑星の半径、および系外惑星の温度（主な親星からの距離に基づく）の組み合わせの測定結果が示すように、地球に移行する前に、地球は地球よりも約 30% 大きく、約 2 倍の質量しかありえません。地球のような惑星よりもわずかに質量が大きいだけの揮発性ガスを保持することが非常に容易になるため、海王星のような世界。 この一般原則には例外もありますが、その例外は主に、揮発性物質が容易に沸騰して蒸発しやすい非常に熱い世界に見られます。 私たちは、太陽系の「スーパーアース」がどこにあるのかずっと疑問に思ってきましたが、その答えは目前にありました。つまり、私たちは地球に似た惑星が得られる限りの「スーパー」に近いのです。

10.) いわゆるハビタブルゾーンにある地球サイズの惑星を直接画像化するという系外惑星の聖杯が、ついに手の届くところに近づいた 。 これは大きな出来事であり、ついに到来します。 私たちは、適切に進歩した異星文明が遠くから地球を見た場合に何が見えるか、そして彼らが私たちの惑星に人が住んでいることをどのように判断するかをよく夢見てきました。 惑星がその軸を中心に回転すると、雲、海、変動する大陸の証拠が見つかるでしょう。 季節が変わると、氷床が成長したり後退したりする一方で、大陸が緑や茶色になっていく様子が見られました。 そして、もし彼らが私たちの大気中の含有量を測定できれば、ガスレベルの変化がわかり、私たちが人が住んでいる世界であるだけでなく、技術的に進歩した種がここに住んでいることを示すことになるでしょう。

2030年代か2040年代にハビタブルワールド天文台として知られるNASAの主力ミッションが予定されており、私たちはその目標を達成するつもりです。それは地球のためではなく、たまたま地球規模の20世紀の周囲に位置する地球に似た惑星のためです。私たちの星系に最も近い星系くらいです。 十分に大きい宇宙望遠鏡、十分に先進的な機器、そして前例のない効率のコロナグラフを組み合わせることで、最終的に私たちに最も近い岩石の世界を直接明らかにし、知的生命体を含む生命の兆候がないか大気を測定できるようになります。 20世紀の天文学者たちの偉大な夢は、あと15～20年以内に実現し、人類はまさに究極の報酬、つまり「宇宙には私たちだけなのか?」という問いに対する肯定的な答えを得るかもしれない。