最新の発見：宇宙には「3つの天体」だけでなく、恐ろしい「貪食者」も存在する

最近、「三体問題」が再び話題になっています。天文学者として、私は科学を普及させるこのような絶好の機会を決して逃しません。実は、私は惑星系の安定性についてずっと興味を持っていました。

17 世紀初頭、ケプラーは 3 つの法則を次々と発表し、天体の軌道法則を明らかにしました。しかし、システム内に複数のオブジェクトがある場合、ダイナミクスが不安定になり、一部のオブジェクトがランダムに排出される可能性があります。これが「三体問題」の物語の天文学的根拠です。

ある日、私が初めて天文学に触れたとき、突然、人間が住む太陽系でも同様のランダムな放出が起こる可能性があるのではないか、と考えました。もっと具体的に言うと、私たちの太陽系にはもともと「8つの惑星」以上のものがあった可能性はあるのでしょうか?代わりに、初期の惑星の 1 つまたはいくつかがランダムに放出された可能性はありますか?

太陽系の惑星と準惑星。写真では大きさだけがスケールで描かれており、距離はスケールで描かれていません丨Wikipedia

この疑問は常に私の心の中にあり、私の天文学研究の方向性となりました。

なぜ最初に双子星を探すのでしょうか?

この謎を解くために、私たちは大規模な分光調査を実施し、近くの星を詳細に研究しました。私たちは、同時に形成された91組の一卵性双生児星に特に注目しました。

これは、社会学で双子の兄弟姉妹を研究するために使われる方法といくつかの類似点があります。化学組成の点では、双子の兄弟姉妹に含まれる元素とその割合はほぼ同じです。これら 2 つの「兄弟/姉妹」の間に何らかの違いがある場合、これらの変化は「後天的要因」によって引き起こされたに違いありません。

たとえば、地球の鉄の割合は太陽よりも高く、太陽の水素、ヘリウム、その他の元素の割合は地球よりも高くなっています。したがって、地球が太陽に落ちたと仮定すると、太陽の特定の元素の割合は変化することになります。太陽に双子の兄弟/姉妹がいたとしたら、この時点で太陽の化学組成は異なっていたはずです。

恒星が惑星を飲み込むことは珍しいことではない

当初、私たちも探究的な姿勢を持っていました。違いのある双子の兄弟を見つけることができれば、それは大成功だろうと。しかし予想外に、1組だけではなく10組以上も見つかりました。

もちろん、星々の違いは、必ずしもその星々を飲み込んだ惑星によるものではありません。また、恒星大気中の元素沈殿のメカニズムの違いについても考慮します。仮説を検証するために、詳細なモデリングとトラブルシューティングを実行しました。

重要なのは、上で述べたように、地球は太陽よりも揮発性元素に対する重元素の比率が高いということです。私たちは、違いのある双子の兄弟姉妹の中に、その要素の違いが「地球が太陽に落ち込む」状況に対応できるグループが少なくとも 7 つあることを発見しました。

シャーロック・ホームズはかつて、最も可能性の高いシナリオがすべて排除されたとき、残ったものは、たとえ可能性が低くても、真実に違いない、と言った。探偵にとって真実なことは、天文学者にとっても間違いなく真実です。

したがって、12 組の恒星のうち少なくとも 1 つの恒星が、その周囲を回る惑星の物質を飲み込んでいるという結論になります。この研究は最近、ネイチャー誌の表紙に掲載された。

興味深いことに、この現象は、劉慈欣の別の作品『貪食者』で描写されている状況、またはスペインの画家ゴヤの晩年の『黒い絵』の中の有名な作品『我が子を食らう牧神』に少し似ています。

スペインの画家フランシスコ・ホセ・デ・ゴヤ・イ・ルシエンテスの絵画「息子を貪る土星」|ウィキペディア

私たちの研究結果は、三体問題で描かれているように、多くの惑星系がある程度不安定性を持っていることを示唆しています。この本で説明されているのとは異なり、この不安定性は近くに伴星がなくても依然として存在します。

近年、惑星力学の理論を研究する一部の学者は、特に巨大な「スーパーアース」を持つ系は本質的に不安定であると指摘している。恒星や巨大な惑星からの重力の摂動は不安定性を引き起こすのに十分な可能性があります。それは、家族に子供がたくさんいると、家が一日中散らかっている可能性が高いことに似ています。

現実には恒星が惑星を飲み込む確率は高い

ある程度の理論的裏付けはあるものの、これほど高い飲み込みの確率は、確かに私たちの予想を超えています。これは、惑星系の不安定性がこれまで考えられていたよりも一般的である可能性があることを意味します。私たちが観察できる信号は、おそらく氷山の一角に過ぎません。

惑星を飲み込む星のイラスト |配布資料/NSFのNOIRLab/AFP

まず、放出された惑星は必ずしもその主星に落ちるわけではない。実際には、惑星は内側または外側に放出される可能性があります。もし内側に向かえば、星に飲み込まれてしまう可能性が高い。しかし、これらの惑星は恒星系から放出され、宇宙を漂う「漂流惑星」となる可能性が高い。

また、惑星が飲み込まれたとしても、恒星の大気の対流により、この痕跡は時間が経つと消えてしまう可能性があります。このプロセスはコーヒーにミルクを注ぐようなもので、コーヒーの表面に独特の質感を生み出しますが、これらの質感は時間の経過とともに変化し、最終的には消えてしまいます。

このような観察を通じて、私たちは 12 番目の「貪食者」を発見しました。しかし、ミルクの筋は徐々に広がり、ついには完全に消えて、最終的には均一なラテになります。星の条痕についても同様であり、はるか昔に起こった飲み込み現象を観察することはできません。

つまり、サンプルで観測された確率は 12 分の 1 ですが、実際の確率はそれよりはるかに高い可能性があります。残りの恒星系も不安定になる可能性があり、あるいは放出された惑星が単に「さまよう地球」になるか、あるいは飲み込まれた痕跡が時間の経過とともに滑らかになる可能性もあります。

私たちの研究結果は興味深いものですが、すべての科学的発見と同様に、結論そのものよりも、そこから生じる疑問のほうが重要です。

考えられる説明としては、惑星は非常に頻繁に放出されるため、どの時点でも「ラテアート」現象を示す星がいくつかあるだろう、というものです。あるいは恒星の対流過程が非常に遅いため、飲み込まれた惑星の痕跡が長期間保存される可能性があります。しかし、多体系のダイナミクスや恒星の熱対流プロセスに関する理解が不十分なため、これらの疑問に答えるにはさらなる研究が必要です。

私たちの研究が、より多くの人々に惑星系と恒星との関係を研究し、これらの謎を解明するきっかけになればと思います。

おそらく、私たちの研究で明らかになったもっと重要なことは、地球上の生命の繁栄は微妙なバランスに依存しており、私たちの宇宙の故郷は想像以上に脆弱であるかもしれないということだ。天文学者として、私は宇宙の謎を探求し続け、宇宙における私たちの位置についてのさらなる手がかりを探し続けます。同時に、私たちの研究が、より多くの人々に惑星系の安定性について考えさせ、私たちの宇宙の故郷に対する理解と認識を深めるきっかけとなることを願っています。そうすることでのみ、私たちは生命が依存するこの楽園をより良く保護し、地球上の文明が繁栄し発展し続けることを可能にすることができるのです。

著者: ディン・ユアンセン、オーストラリア国立大学天文学・コンピュータサイエンス学部准教授

レビュー丨中国科学院上海天文台研究員 韓文彪