太陽系の外にある「スーパーアース」は私たちの新たな故郷となることができるのでしょうか？

制作：中国科学普及協会

著者：謝継偉（南京大学）

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：中国の先端技術プロジェクトは、認識の限界を広げるために、「未知の領域」と題する一連の記事を立ち上げ、深宇宙、深地球、深海などの分野で限界を突破した探査結果を概観しています。科学的発見の旅に出て、驚くべき世界を知りましょう。

最近、天文学者たちはジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）を使って、太陽系外の岩石惑星に二酸化炭素や一酸化炭素を豊富に含む大気があることを初めて検出した。この惑星はマグマの海に覆われており生命を維持できない可能性が高いが、研究することで地球の初期の歴史についての理解が深まる可能性がある。関連論文は2024年5月8日にNature誌に掲載されました。

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）は、アメリカ、ヨーロッパ、カナダが共同で開発した、主に赤外線で観測を行う宇宙望遠鏡です。これには20年以上かかり、100億ドル以上の費用がかかりました。これは、これまでに建造された中で最も高価で、最も強力で、最大の宇宙望遠鏡です。この望遠鏡は2021年に打ち上げられる予定で、宇宙のより深いところを観測するために、より高い赤外線解像度と感度を提供するように設計されています。

55Cancri e 星に非常に近い芸術的なイメージ

クレジット: マーク・ガーリック/サイエンスフォトライブラリー

しかし、55 Cancri e は JWST によって発見されませんでした。これは、20年前（2004年）にかに座55番星（2015年に国際天文学連合によってコペルニクスと命名された）の周りで発見された4番目の惑星でした。現在、この星の周りには 5 つの惑星 (b、c、d、e、f) が発見されています。これらの惑星はすべて視線速度法（つまり、恒星と惑星の相互回転によって引き起こされる視線速度の変化を検出する方法）によって発見されました。

2011年には、かに座55番星eのその後の通過が発見され、この惑星の存在がさらに確認されました。太陽のような恒星を周回する55 Cancri eは、半径が地球の約2倍、質量が地球の8倍以上、大気が地球の半径の数パーセント程度であるスーパーアースです。

人類は初めて太陽系外の地球に似た惑星の大気組成を検出した。

JWST の貢献は、実はこの惑星の表面に炭素と酸素の元素を豊富に含む大気が存在するという発見であり、これは新たなマイルストーンを意味します。人類が太陽系外惑星の大気の組成を検出し、それが「二次大気」であると判断したのはこれが初めてである。

画像出典: veer gallery

いわゆる「二次大気」は、元の大気に相対的なものです。惑星の元々の大気とは、惑星の形成の初期段階で重力によって吸収された大気のことを指し、主に水素とヘリウム（この 2 つが宇宙で最も豊富であるため）です。しかし、水素とヘリウムは非常に軽いです。地球のような通常の岩石惑星の場合、重力は小さく、これらの軽いガスを完全に結合するには不十分であるため、これらの元の軽いガスは徐々に宇宙へと戻っていきます。

二次大気とは、火山の噴火などによって惑星の内部から後に放出されるガスのことです。これらのガスには主に炭素、酸素などの「重い」元素が含まれています。重いガスは簡単に逃げることができず、徐々に蓄積され、惑星の表面に蓄えられます。私たちの惑星の大気は二次大気から徐々に進化してきました。

この「スーパーアース」は人類の次の故郷となるのでしょうか？

現在の観測技術では、このような小さな惑星を直接撮影し、その姿を観察することはまだできません。しかし、天文学者は惑星の特性を観察することで、その惑星がどのような外観であるかを推測することができます。

かに座55番星は、簡単に言えば地球の拡大版として理解することができます。平均密度があまり変わらず、どちらも岩石惑星であるなど、地球との類似点があります。しかし、その公転周期はわずか0.74日であり、主星からの距離は地球と太陽の距離のわずか60分の1です。そのため、この星は主星によって「焼かれ」、非常に高温になります。恒星に面した側の温度は3000度を超え、表面はすべて溶融したマグマです。地球のように多くの生命を生むことはできないはずです。

画像出典: veer gallery

将来、検出技術が発展するにつれて、人類はより多くの地球に似た惑星の大気を検出できるようになるでしょう。これらの惑星の大気の組成を研究し、それを私たちの太陽系の惑星と比較することは、惑星とその大気の形成と進化をより深く理解するのに役立ちます。

地球の歴史を知るために地球の初期の時代に戻ることはできませんが、さまざまな時代の多くの地球型惑星の大気を検出できれば、それを鏡として使って地球の過去、さらには未来がどうなるかを見ることができます。