水蒸気を発見：26光年離れた赤色矮星、次の地球となるか？

ウェッブ望遠鏡が地球近傍の水蒸気を持つ太陽系外惑星を発見

地球から 26 光年離れた赤色矮星を周回する岩石惑星 GJ 486 b の想像図。 NASAのウェッブ宇宙望遠鏡は、惑星に水蒸気が存在するという弱い証拠を発見したが、その水蒸気が惑星の大気中にあるか、それとも恒星の黒点にあるかはまだ分かっていない。画像提供：NASA/ESA/CSA/Joseph Olmsted (STScI)/Leah Hustak (STScI)。

天文学者は多くの太陽系外惑星の大気中に水蒸気が存在することを証明することができます。これまでに発見された惑星はすべて、ガス矮星や超木星など、地球よりもはるかに大きい。しかし、地球より少し小さいサイズの惑星はどうでしょうか?距離が遠いため、これらの比較的小さな世界で水蒸気を検出するのは困難です。しかし、2023年5月1日、イギリスとアメリカの研究者らは、地球に似た惑星とその周りを周回する赤色矮星の大気中に水蒸気を発見したと報告した。天文学者たちはウェッブ宇宙望遠鏡を使って26光年離れた場所でこの観測研究を実施した。

研究者らが2023年4月10日に発表した関連する新しい論文の草稿が、Astrophysical Journal Letters誌に掲載されることが承認されました。

ウェッブ望遠鏡が水蒸気を検出

GJ 486 b は、体積が地球の 1.3 倍、質量が地球の 3 倍の地球型惑星です。このため、天文学者はこれをスーパーアースと呼んでいます。その軌道は恒星の軌道に非常に近いため、わずか 1.5 日で 1 周します。そのため、残念ながら、科学者たちはその温度が華氏 800 度 (摂氏 430 度) にも達すると推定しており、生命が住める可能性は低いと考えられます。科学者たちは、この惑星は潮汐固定されているようで、常に恒星の同じ側を向いていることを発見した。

こうした高温にもかかわらず、惑星に大気があるという前提で、GJ 486 b の大気中に水蒸気がまだ存在する可能性があるが、そのことはまだ不明である。

しかし、ウェッブの観測では水蒸気の痕跡が示されており、これはすでに興味深いことだった。

（水蒸気）は惑星上またはその恒星上に存在しますか？

大きな疑問は、水蒸気は惑星上に存在するのか、それとも実際にはその恒星上に存在するのか、ということです。

アリゾナ大学の筆頭著者は「水だけが残せる明確な痕跡を発見した」とコメントした。しかし、水が惑星の大気から来たのか、あるいはそもそも惑星に大気があるのか​​どうかは確信が持てず、水の証拠は実際には恒星から来たものなのです。

ジョンズ・ホプキンス大学のケビン・スティーブンソン氏は、「地球のような高温の惑星で水蒸気が発見されれば、太陽系外惑星科学における大きな進歩となるだろう」と付け加えた。しかし、星からの干渉を排除する必要があります。

惑星の通過は証拠を提供する

では、科学者はどのようにして水蒸気を検出するのでしょうか?ウェッブは、地球から見て、GJ 486 bがその恒星の前を一度ではなく二度通過するのを観測した。各トランジットは約1時間かかります。研究者たちは3つの手法を使ってデータを分析した。

興味深いことに、3 つの方法はすべて同様の結果をもたらし、惑星と恒星からの透過スペクトルはほぼ平坦でした。しかし、最も短い赤外線のスペクトル領域が突然増加しました。では、この増加の原因は何でしょうか?科学者たちは、どの原子が原因であると発見したのでしょうか?調査するために、研究者たちはさまざまな原子を使ったモデルをコンピューター上に作成した。この観察に対する最良の説明は水蒸気であることが判明しました。

GJ 486 b の発光スペクトルは水蒸気の存在を示しています。上の図は、水蒸気が存在する可能性のある場所（大気中または星の黒点）に関する 2 つのモデルを比較しています。画像提供: NASA/ ESA/ CSA/ Joseph Olmsted (STScI)/ Sarah E. Moran (アリゾナ大学)/ Kevin B. Stevenson (APL)/ Ryan MacDonald (ミシガン大学)/ Jacob A. Lustig-Yaeger (APL)。

星の黒点に水蒸気は存在するのか？

水蒸気が惑星の大気中に存在しない場合、水蒸気は赤色矮星の黒点、つまり太陽の黒点のような恒星の表面の暗い斑点に存在します。これは可能ですか？不思議なことに、星黒点の内部の温度は周囲の太陽表面の温度よりもはるかに低いため、星黒点内に水蒸気が存在できます。

研究者たちは、GJ 486 b という恒星の温度がすでに太陽よりもはるかに低いため、その黒点の温度は太陽黒点の温度よりもはるかに低くなるだろうと考えています。したがって、星の黒点はさらに多くの水蒸気を蓄えることができる可能性がある。惑星が通過中に恒星黒点を通過すると、この現象により、恒星黒点の水蒸気が惑星上に存在しているように見えることになります。これは称賛に値する理論だが、一つ問題が残っている。科学者たちは恒星黒点の前を惑星が通過するのを観測したことがないのだ。しかし、天文学者がまだ見ていない星黒点が存在する可能性もあります。

ミシガン大学の共著者は、恒星黒点の前を通過する惑星はまだ観測されていないと考えている。しかし、それは星に他の斑点がないという意味ではなく、この現象の物理的性質により、水分子は大気中にあるように見えることになります。

より深く、より深い観察が必要

現在でも、水蒸気の源が惑星なのか恒星なのかは不明です。研究者らは、水蒸気の正確な発生源を突き止めるためには、ウェッブ望遠鏡の両方のコンポーネントを使ってさらに観測を行う必要があると述べている。

中間赤外線観測装置（MIRI）は、惑星の太陽側を観測します。惑星に大気がまったくないか、非常に薄い大気しかない場合、惑星の昼側の最も熱い領域は恒星に面していることになります。同時に、最も暑い領域が移動する場合、この現象は熱を循環させることができる大気の存在を示唆することになります。

さらに、近赤外線イメージングおよびスリットレス分光法（NIRISS）機器は、この現象が惑星の大気によって引き起こされたものなのか、恒星の黒点によって引き起こされたものなのかを区別することができます。しかし、GJ 486 b に水蒸気が存在するかどうかを決定的に判断できるのは、複数の機器を組み合わせることだけです。

スティーブンソン氏は次のように指摘する。「惑星に大気があるかどうかを実際に判断するには、さまざまな機器を組み合わせる必要があるだろう。」

2019年、天文学者たちは別のスーパーアースK2-18bの大気中に水蒸気を発見したと報告した。この惑星はかつて居住可能と考えられていた。研究者らは、この惑星は水素でできた厚い大気を持ち、固体表面はないと思われるガス矮星に近いものだと述べた。

著者:ポール・スコット・アンダーソン

FY: 胡玉樹

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