遠い世界でメタンガスを吸う

NASAさんの ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 大気中にメタンが検出されました 系外惑星 WASP-80 b、宇宙探査のマイルストーン。 高度な光分析法によって確認されたこの発見は、惑星の組成に光を当て、太陽系の惑星との比較を可能にします。

NASAのジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、系外惑星WASP-80 bが主星の前後を通過する様子を観測し、メタンと水蒸気を含む大気の存在を示すスペクトルを明らかにした。 これまでに十数の惑星で水蒸気が検出されているが、惑星の大気中に豊富に存在する分子であるメタンは最近まで検出されていなかった。 木星、 土星、 天王星、 そして ネプチューン 私たちの太陽系内では、宇宙分光法を使用して研究すると、通過する系外惑星の大気中ではとらえどころのないままでした。

カリフォルニア州シリコンバレーの NASA エイムズ研究センターに拠点を置くベイエリア環境研究所 (BAERI) のテイラー・ベル氏とアリゾナ州立大学のルイス・ウィルバンクス氏は、系外惑星の大気中のメタンを検出することの重要性について詳しく語ってくれました。ウェブによる系外惑星大気中のメタンの検出がどのように観測を容易にするかについて議論します。 待望のこの分子の同定。 これらの結果は最近、科学雑誌『Nature』に掲載されました。

「ウォームジュピター」を理解する WASP-80 B

「約825K（約1025度）の温度で F)、WASP-80 b は科学者が「温暖木星」と呼んでいる惑星で、大きさや質量は太陽系の木星と似ていますが、その温度は摂氏 1,450 度など、高温木星の中間にあります。 K (2,150 °F) HD 209458 b (最初に発見された系外惑星)、そして私たちのような冷たい木星は、約 125 K (235 °F) の温度を持っています。 °F)。 WASP-80 b は赤色矮星の周りを 3 日に 1 回周回しており、私たちから 163 光年離れたハゲワシ星座に位置しています。 惑星はその恒星に非常に近く、両方とも私たちから遠く離れているため、ウェッブのような最先端の望遠鏡を使っても惑星を直接見ることはできません。 代わりに、研究者はトランジット法（ほとんどの既知の系外惑星の発見に使用されている）と日食法を使用して、恒星と惑星からの光を組み合わせて研究しています。

革新的な監視テクノロジー

トランジット法を使用して、惑星が私たちの視点からその星の前に移動し、私たちが見る星の光がわずかに暗くなるときのシステムを観察しました。 まるで誰かがランプの前を通り過ぎて光が暗くなったかのようです。 この間、星は惑星の昼と夜の境界線の周りにある惑星の大気の細い輪を照らし、惑星の大気中の分子が光を吸収する特定の色の光では、大気はより厚く見え、より多くの星の光を遮断します。 これにより、大気が透明に見える他の波長と比較して、より深い不透明度が生じます。 この方法は、私たちのような科学者が、どの色の光が遮られているかを確認することで、惑星の大気の成分を理解するのに役立ちます。

一方、日食法を使用して、惑星が私たちの視点から恒星の後ろを通過するときに、私たちが受け取る総光量がさらにわずかに減少することを観察しました。 すべての物体は熱放射と呼ばれる何らかの光を放出します。放出される光の強度と色は、物体の温度によって異なります。 日食の直前と直後、惑星の暑い昼側が私たちの方向に向けられ、日食中の光の落ち込みを測定することで、惑星から発せられる赤外線を測定することができました。 日食のスペクトルの場合、惑星の大気中の分子による吸収は、通常、惑星が発する特定の波長の光の減少として現れます。 また、この惑星は主星よりもはるかに小さく、温度が低いため、日食の深さは太陽面通過の深さよりもはるかに浅くなります。

NASA のジェームス ウェッブ宇宙望遠鏡の NIRCam スリットレス分光モードから測定された WASP-80 b の通過スペクトル (上) と日食スペクトル (下)。 どちらのスペクトルにも、水とメタンからの吸収の明らかな証拠があり、その寄与は色付きの線で示されています。 トランジット中、惑星は恒星の前を通過します。トランジットスペクトルでは、粒子の存在により、惑星の大気は特定の色でより多くの光を遮断し、その波長でより深い減光を引き起こします。 日食中、惑星は恒星の背後を通過します。この日食スペクトルでは、粒子が惑星から発せられる特定の色の光の一部を吸収するため、日食中は通過中よりも明るさの低下が小さくなります。 画像クレジット: PAYRI/NASA/Taylor Bell

スペクトルデータ解析

私たちの最初の観察は、スペクトルと呼ばれるものに変換する必要がありました。 これは基本的に、さまざまな色 (または波長) の光で、惑星の大気によってどれだけの光が遮断または放出されるかを示す測定値です。 生の観測値を有用なスペクトルに変換するためのさまざまなツールが多数存在するため、さまざまな仮定に対して結果が堅牢であることを確認するために 2 つの異なる方法を使用しました。 次に、2 種類のモデルを使用してこのスペクトルを解釈し、これらの極端な条件下で惑星の大気がどのように見えるかをシミュレートしました。 最初のタイプのモデルは非常に柔軟で、メタン、水の存在量、温度の何百万もの組み合わせを実験して、データに最も適合する組み合わせを見つけます。 2 番目のタイプは「自己無撞着モデル」と呼ばれるもので、何百万もの組み合わせを調査しますが、物理学と化学の既存の知識を使用して、予想されるメタンと水のレベルを決定します。 どちらのタイプのモデルも、最終的にはメタンが検出されるという同じ結論に達します。

調査結果を検証するために、堅牢な統計手法を使用して、調査結果がランダム ノイズである可能性を評価しました。 私たちの分野では、「ゴールド スタンダード」はいわゆる「5 シグマ検出」であると考えています。これは、ランダム ノイズによる検出の確率が 170 万分の 1 であることを意味します。 同時に、通過スペクトルと日食スペクトルの両方で 6.1 シグマのメタンを検出しました。これにより、各観測での誤った発見の確率が 9 億 4,200 万分の 1 に設定され、「ゴールドスタンダード」である 5 シグマを超え、我々の確信が高まりました。両方。 発見。

メタン検出への影響

この確信に満ちた発見により、とらえどころのない分子を発見しただけでなく、この化学構造が惑星の誕生、成長、進化について何を物語っているのかを探求し始めることができるようになりました。 たとえば、地球上のメタンと水の量を測定することで、炭素原子と酸素原子の比率を推定できます。 この比率は、惑星が系内のどこでいつ形成されるかに応じて変化すると予想されます。 したがって、炭素と酸素の比を調べることで、惑星が徐々に内側に移動する前に、恒星から近い場所で形成されたのか、それとも遠く離れた場所で形成されたのかを知る手がかりが得られる。

この発見で私たちを興奮させたもう 1 つのことは、太陽系の外側の惑星と太陽系内の惑星を最終的に比較する機会が得られたことです。 NASA には、太陽系の巨大ガス惑星に宇宙船を送り、大気中のメタンやその他の分子の量を測定してきた歴史があります。 さて、系外惑星内の同じガスを測定することで、「同一の結果」の比較を開始し、太陽系からの予測が太陽系の外で見られるものと一致するかどうかを確認することができます。

ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の将来展望

最後に、ウェッブ氏による今後の発見を楽しみにしていますが、この結果は、私たちがさらにエキサイティングな発見に近づいていることを示しています。 ウェッブを使用した WASP-80 b の追加の MIRI および NIRCam 観測により、さまざまな光の波長での大気の特性を調査できるようになります。 私たちの発見は、一酸化炭素や二酸化炭素などの炭素を豊富に含む他の分子を監視できるようになり、この惑星の大気中に広がっている状態のより包括的な全体像を描くことができるようになると考えるようになりました。

さらに、系外惑星でメタンやその他のガスが発見されれば、地球とは異なる条件下で化学や物理学がどのように機能するか、そしておそらく近いうちに、ここにあるものを思い出させる他の惑星でも化学や物理学がどのように機能するかについての知識が広がり続けるでしょう。 自宅で。 1 つ明らかなことは、ジェームス ウェッブ宇宙望遠鏡による探査の旅は潜在的な驚きに満ちているということです。

参考文献：「温暖系外惑星 WASP-80b の大気中のメタン」テイラー J. ベル、ルイス ウィルバンクス、エヴェレット シュローイン、マイケル R. レーン、ジョナサン J. フォートニー、トーマス B. グリーン、小野和正、ヴィヴィアン パルマンティエ、エミリー ラウッシャー著、トーマス J. ビーティー、サージニク・ムケルジー、リンジー S. ワイザー、マーサ L. ボイヤー、マーシア J. リッキーとジョン A. スタンスベリー、2023 年 11 月 22 日、 自然。
土井: 10.1038/s41586-023-06687-0

著者について:

• Taylor Bell は、ベイエリア環境研究所 (BAERI) の博士研究員で、カリフォルニア州シリコンバレーの NASA エイムズ研究センターに勤務しています。
• ルイス・ウィルバンクスは、アリゾナ州テンピにあるアリゾナ州立大学の NASA ハッブル研究員です。