ウェッブ、岩石の多い系外惑星で大気を初めて発見

かに座 55 座の溶岩に覆われた表面から上昇するガスは、二酸化炭素または一酸化炭素を豊富に含む大気を供給する可能性があります。

最近では、地球から数十光年、さらには数百光年離れたところにある惑星の大気を検出することは、大したことではないように思えるかもしれません。 科学者たちは過去20年間に数十の系外惑星を取り囲む大気の証拠を発見した。 問題は、これらの惑星にはいずれも、研究が比較的容易な水素主体の厚い大気があることです。 いくつかの小さな岩石の多い系外惑星を取り囲む薄いガスの毛布は、とらえどころのないままである。

研究者たちは、岩石惑星を取り巻く豊かで不安定な大気をついに垣間見たのかもしれないと考えている。 高温領域から発せられる光は放射性が高い 系外惑星 かに座 55 番星は、惑星の表面を覆う広大な溶岩の海から流れ出す、おそらく二酸化炭素または一酸化炭素が豊富な大気の有力な証拠を示しています。

この結果は、太陽系外に岩石惑星の大気が存在することを示すこれまでで最良の証拠となった。

このアーティストのコンセプトは、太陽系外惑星かに座 55 番星がどのようなものかを示しています。 ヤンセンとも呼ばれるかに座 55 番星は、いわゆるスーパーアースで、地球よりもはるかに大きいが海王星より小さい岩石惑星で、わずか 140 万マイル (0.015 天文単位) の距離で星の周りを公転し、完全な軌道を完成します。 18 時間以内に。 (水星は、その恒星であるかに座 55 度 e よりも太陽から 25 倍離れています)。 この星系には 4 つの巨大ガス惑星も含まれており、地球から約 41 光年の距離、かに座に位置しています。 画像クレジット: NASA、ESA、カナダ宇宙機関、ラルフ クロフォード (STScI)

ウェッブ宇宙望遠鏡は、岩石の系外惑星を取り囲む大気の可能性を示唆している

研究者が使用する NASAさんの ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 彼らは、地球から41光年離れた高温の岩石の多い系外惑星であるかに座55座の周囲の大気ガスを検出した可能性がある。 これは、太陽系の外にある岩石惑星には大気が存在することを示す、これまでで最高の証拠です。

Renew は NASA のジェット推進研究所 (ジェット推進研究室）カリフォルニア州パサデナ在住の彼は、5月8日に発表された論文の筆頭著者である 自然。 「ウェッブ氏は、系外惑星の特徴づけの限界を岩石惑星にまで押し広げている」と胡氏は語った。 「それは本当に新しい種類の科学を可能にします。」

スーパーホットアース 55 かに座 E

ヤンセンとしても知られるかに座 55 番星は、かに座の太陽に似た恒星かに座 55 番星を周回する 5 つの既知の惑星のうちの 1 つです。 直径が地球のほぼ 2 倍で、密度がわずかに大きいこの惑星は、地球より大きく、地球より小さいスーパーアースに分類されます。 ネプチューンそれらはおそらく太陽系の岩石惑星と組成が似ていると考えられます。

ただし、かに座 55 座を「岩だらけ」と表現すると、間違った印象を与えるかもしれません。 この惑星はその星の近く（約140万マイル、または水星と太陽の間の距離の20/25）を公転しており、その表面はおそらく溶けており、マグマが泡立った海になっている。 軌道が非常に狭いため、この惑星は潮汐的に固定されている可能性が高く、昼側は常に星に面し、夜側は永遠の暗闇にあります。

2011 年に太陽面通過が発見されて以来、数多くの観測が行われてきたにもかかわらず、かに座 55 番星に大気があるかどうか、あるいは大気があるかどうかという問題は依然として解決されていません。 できた そのうちの 1 つは、その高温と恒星からの恒星放射線と風の絶え間ない攻撃のため、未解決のままです。

「私はこの惑星で10年以上研究してきました」とニューメキシコ大学の系外惑星研究者であり、この研究の共著者であるダイアナ・ドラゴミル氏は語った。 「私たちが受け取ったフィードバックのどれも、これらの謎に対する確実な解決策を示さなかったことは、本当にもどかしかったです。最終的にいくつかの答えが得られたことを嬉しく思います。」

比較的簡単に検出できる巨大ガス惑星の大気とは異なります（ 初めて明らかになりました NASAによる ハッブル宇宙望遠鏡 20 年以上にわたって）、岩石惑星を取り囲むより薄く密度の高い大気は、とらえどころのないままでした。

NASAの現在は引退したスピッツァー宇宙望遠鏡のデータを用いた、かに座55番星に関するこれまでの研究では、酸素、窒素、二酸化炭素などの揮発性物質（地球上で気体の形で見られる分子）が豊富な大気の存在が示唆されていた。 しかし、研究者らは別の可能性を排除できなかった。それは、シリコン、鉄、アルミニウム、カルシウムなどの元素を豊富に含む、蒸発した岩石の脆弱な一面を除いて、この惑星には何もないという可能性である。 「地球は非常に熱いので、溶けた岩石の一部は蒸発したに違いありません」とホー氏は説明した。

この光度曲線は、かに座 55 番星系の 5 つの既知の惑星の中で最も近い岩石惑星かに座 55 番星 e が星の背後に移動するときの、かに座 55 番星系の明るさの変化を示しています。 この現象は二次日食として知られています。
惑星が恒星の近くにある場合、恒星と惑星の昼側の両方からの中赤外線が望遠鏡に到達し、システムがより明るく見えます。 惑星が恒星の背後にあると、惑星からの光が遮られ、望遠鏡には恒星の光だけが届くため、見かけの明るさが低下します。
天文学者は、星と惑星の合計の明るさから星の明るさを差し引いて、惑星の昼側からどれだけの赤外線が来ているかを計算できます。 これは、日中の気温を計算し、惑星に大気があるかどうかを推定するために使用されます。
画像クレジット: NASA、ESA、CSA、Joseph Olmsted (STScI)、Aaron Belo-Aroff (NASA-JPL)

赤外線色の微妙な違いを測定

2 つの可能性を区別するために、研究チームは Webb の NIRCam (近赤外線カメラ) と MIRI (中赤外線機器) を使用して、惑星から来る 4 ～ 12 ミクロンの赤外線を測定しました。

ウェッブはかに座 55 番星の直接画像を撮影することはできませんが、惑星が恒星の周りを周回するときに系からの光の微妙な変化を測定することができます。

惑星が星のすぐ隣にあるときの明るさ（星と惑星からの光を合わせたもの）から、惑星が星の後ろにあるとき（星の光のみ）の二次日食（上の画像を参照）中の明るさを差し引くことで、研究チームは地球の昼側から来る赤外線のさまざまな波長の光線の量を計算することができました。

二次日食分光法として知られるこの方法は、TRAPPIST-1 b などの他の岩石系外惑星の大気を探すために他の研究チームが使用している方法と似ています。

2022 年 11 月に Webb NIRCam (近赤外線カメラ) によって、2023 年 3 月に MIRI (中赤外線計測器) によって捕捉された熱放射スペクトルは、放出された赤外線 (x 軸) のさまざまな波長の明るさ (y 軸) を示しています。 巨大な太陽系外惑星、かに座 55 番星によって。 このスペクトルは、この惑星が蒸発した岩石だけでなく、二酸化炭素や一酸化炭素、その他の揮発性物質を豊富に含む大気に囲まれている可能性があることを示している。
グラフは、NIRCam (オレンジ色の点) と MIRI (紫色の点) によって収集されたデータを 2 つの異なるモデルで比較しています。 赤色のモデル A は、かに座 55 番星が蒸発する岩石でできた大気を持っていた場合の発光スペクトルがどのようになるかを示しています。 青色のモデル B は、地球のマントルに似た揮発性物質を含むマグマ オーシャンから放出される揮発性物質が豊富な大気が惑星にある場合の発光スペクトルがどのようになるかを示しています。 MIRI および NIRCam データは、揮発性物質が豊富なモデルと一致しています。
惑星が放出する中赤外線の量（MIRI）は、昼側から夜側に熱を分配する大気がない場合よりも日中の気温がはるかに低いことを示しています。 4 ～ 5 ミクロンのスペクトルのディップ (NIRCam データ) は、大気中の一酸化炭素または二酸化炭素分子によるこれらの波長の吸収によって説明できます。
画像クレジット: NASA、ESA、CSA、Joseph Olmstead (STScI)、Renew Ho (NASA-JPL)、Aaron Bello-Aroff (NASA-JPL)、Michael Chang (シカゴ大学)、Mantas Zilinskas (SRON)

予想以上に寒い

かに座 55 番星に重大な大気が存在する可能性があることを示す最初の兆候は、その熱放射 (上の画像を参照)、または赤外線の形で放射される熱エネルギーに基づく温度測定から得られました。 惑星が暗い溶けた岩石で覆われ、蒸発した岩石の薄いベールがあるか、あるいは大気がまったくない場合、昼側の温度は約 4,000 度になるはずです。 F (~2200度 摂氏）。

「代わりに、MIRI データは、華氏約 2,800 度という比較的低い温度を示しました」 [~1540 degrees Celsius]彼は言った。 「これは、おそらく不安定で豊かな大気を通じて、エネルギーが昼側から夜側に分配されていることを示す非常に強力な兆候です。」 溶岩流はある程度の熱を夜側に運ぶことができますが、冷却効果を考慮できるほど効率的に熱を移動させることはできません。

研究チームが NIRCam データを調べたところ、豊かで不安定な雰囲気と一致するパターンが見られました。

「スペクトルの4～5ミクロンの落ち込みの証拠が見られますが、望遠鏡に届く光は少なくなります」と共著者で同じくNASA JPLのアーロン・ベロ・アロフ氏は説明した。 「これは、これらの波長の光を吸収する一酸化炭素または二酸化炭素を含む大気の存在を示しています。」 大気を持たない惑星、または蒸発した岩石のみからなる大気は、この特定のスペクトル特徴を持たないでしょう。

「私たちは過去 10 年間、さまざまなシナリオをモデル化し、この世界がどのようなものになるかを想像してきました」と共著者であるライデン天文台とオランダ宇宙研究所 (SRON) のヤミラ・ミゲル氏は述べています。 「ついに、私たちの貴重な仕事が評価されることになりました！」

泡立つマグマの海

研究チームは、かに座55番星を覆うガスは、惑星の形成以来存在していたものではなく、内部から出現すると考えている。 「中心大気は、恒星からの高温と強烈な放射線のせいで、とっくの昔に消滅していただろう」とベロアロフ氏は語った。 「これはマグマオーシャンによって常に補充される二次大気になります。マグマには液晶や岩石だけではなく、大量のガスも溶け込んでいます。

かに座55番星は居住するには暑すぎるが、研究者らは、かに座55番星が岩石惑星の大気、表面、内部の間の相互作用を研究するためのユニークな窓口となり、おそらく初期の地球の状態についての洞察が得られる可能性があると考えている。 金星、 そして 火星遠い昔、マグマの海で覆われていたと考えられています。 「最終的に、私たちは、岩石惑星が居住可能な惑星にとって不可欠な要素であるガスが豊富な大気を維持できる条件を理解したいと考えています」と胡氏は述べた。

この研究は、1952 年の一般観測者 (GO) ウェッブ プログラムの一環として実施されました。現在、かに座 55 座の追加の二次日食観測が分析されています。

参考文献：「A Second Atmosphere on the Rocky Exoplanet 55 Cancri e」Renyu Hu、Aaron Belo-Aroff、Michael Zhang、Kimberly Paragas、Mantas Zilinskas、Christian van Botchem、Michael Pace、Jayeshil Patel、Yuichi Ito、Mario Damiano、Markus Shusher 、アプールヴァ V. オザ、ヘザー A. クナットソン、ヤミラ・ミゲル、ダイアナ・ドラゴミル、アレクシス・ブランデッカー、ブライス・オリヴィエ・デモーリ、2024年5月8日、 自然。
土井: 10.1038/s41586-024-07432-x

ジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡は、世界有数の宇宙科学天文台です。 ウェッブは太陽系の謎を解き明かし、他の星の周囲の遠い世界を超えて、私たちの宇宙とその中での私たちの位置の神秘的な構造と起源を探求します。 WEB は、NASA とそのパートナーである欧州宇宙機関 (ESA) が主導する国際プログラムです。欧州宇宙機関）とカナダ宇宙庁。