ミニ海王星は凍ったスーパーアースであることが判明

地球よりも質量が大きい地球型太陽系外惑星であるスーパーアースの可能性があるすべての惑星の中で、くじら座にある地球からわずか40光年離れた恒星を周回する太陽系外惑星は、これまでに発見された惑星の中で最も地球に似ているかもしれない。

太陽系外惑星LHS 1140 bは、2023年末にNASAのジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡によって初めて発見されたとき、ミニ海王星であると考えられていました。それらの観測データを分析した後、モントリオール大学の天文学者シャルル・カデューが率いる研究チームは、LHS 1140 bはスーパーアースである可能性が高いと示唆しています。

この惑星が地球の別バージョンだとすると、その冷たい赤色矮星に比較的近いことから、巨大な雪玉か、恒星下（恒星に最も近い領域）の海が宇宙の目玉のように見える、ほとんどが凍結した天体である可能性が高い。現在、この惑星は表面に液体の水が存在する可能性が最も高い太陽系外惑星であると考えられており、居住可能である可能性もある。

カデュー氏と彼のチームは、「 [nitrogen]「アストロフィジカル・ジャーナル・レターズ」誌に最近発表された研究で、この論文は「生命居住可能ゾーンのスーパーアースには太陽系外惑星が優勢な大気が存在する」と結論付けている。

ごめんね、ネプチューン…

2023年12月、ウェッブに搭載されたNIRISS（近赤外線撮像装置およびスリットレス分光器）装置によって、LHS 1140 bの2回の通過が観測されました。NIRISSは太陽系外惑星の検出を専門とし、通過分光法を通じてその詳細を明らかにします。通過分光法は、周回惑星の主星が惑星の大気を通過して地球に向かってくる光を捉えます。その光のさまざまなスペクトルバンドを分析することで、科学者は惑星の大気中に存在する特定の原子や分子について知ることができます。

LHS 1140 b がミニ海王星であるという以前の仮説を検証するために、研究者らは 3D の全球気候モデル (GCM) を作成しました。これは、複雑な数学を使用して、陸地、海洋、氷、大気など、惑星の気候システムを構成するさまざまな要素の組み合わせを調査しました。ミニ海王星のいくつかの異なる GCM が、トランジット分光法で観測された光スペクトルと比較されました。ミニ海王星のモデルは通常、水素が支配的な厚く雲のない、または雲がほとんどない大気を持つガス巨星を対象としていますが、このモデルのスペクトル バンドは NIRISS の観測と一致しませんでした。

ミニ海王星の可能性はほぼ排除されたため（ただし、これを確認するにはさらなる観察と分析が必要になる）、カディウ氏のチームは別の可能性、つまりスーパーアースに目を向けた。

地球から離れた地球？

NIRISSで観測されたスペクトルは、スーパーアースのGCMとより一致していた。このタイプの惑星は、通常、厚い窒素またはCO₂岩石の表面を包む、氷や液体の形で何らかの形の水が存在する、空気に富んだ大気。

モデルでは、二次大気の存在も示唆されている。二次大気とは、惑星形成の初期段階で軽元素（水素とヘリウム）の元の大気が逃げ出した後に形成される大気である。二次大気は、水蒸気、二酸化炭素、メタンなど、地殻から放出されたより重い元素から形成される。二次大気は通常、温暖な地球型惑星に見られる（地球には二次大気がある）。

GCM と一致しなかった Webb/NIRISS のデータの中で最も重要なのは、惑星の密度が岩石惑星として予想されるものより低い (サイズと質量の測定に基づく) という点です。これは、質量の約 10 ～ 20 パーセントが水である水惑星と一致しています。この推定に基づき、研究者は LHS 1140 b がハイセアン惑星 (スーパーアースのほとんどの特性を持つが、大気が窒素ではなく水素が支配的な海洋惑星) である可能性さえあると考えています。

この惑星は潮汐固定されるほど暗い恒星の周りを回っているため、一部のモデルでは、昼側に恒星下の液体の海を持つ、大部分が氷で覆われた惑星であると示唆されている。

LHS 1140 b はスーパーアースかもしれないが、ハイセアン惑星仮説は最終的に否定されるかもしれない。ハイセアン惑星は暴走温室効果の影響を受けやすい。暴走温室効果は、十分な温室効果ガスが惑星の大気中に蓄積し、熱の放出を妨げるときに発生する。冷却できない惑星では、液体の水は最終的に蒸発する。

LHS 1140 b がどのような惑星なのか、居住可能かどうかの解明に近づいていますが、さらなる観測が必要です。カディウ氏は、NIRISS データを、ウェッブの近赤外線分光器 (NIRSpec) で以前に収集された他のスーパーアースのデータと比較することで、この研究を継続したいと考えています。恒星の放射線が惑星自体の観測を妨げていないことを確認するために、ウェッブの MIRI (中赤外線) 装置によるこの惑星の通過観測を少なくとも 3 回行う必要があります。

「LHS 1140bの可視性は限られているため、潜在的な二次大気を検出するには数年分の観測が必要になるかもしれない」と研究者らは同じ研究で述べている。

では、この惑星は本当に凍った太陽系外惑星なのだろうか？この謎は今後数年間続くだろう。

天体物理学ジャーナルレターズ、2024年。DOI: 10.3847/2041-8213/ad5afa