天文学者らの最新の観測では、太陽に似た恒星の周りを超至近距離で周回する岩石系系外惑星が、実際には比較的厚い大気を保持していることがわかった。この結果は、そのような惑星の進化に対する人々の伝統的な理解を覆すものです。 TOI-561 b と名付けられたこの「スーパーアース」は、質量が地球の約 2 倍ですが、極限環境にあり、全球のマグマオーシャンで完全に覆われていると考えられています。
この研究はカーネギー科学研究所が主導し、NASAのジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）の観測に基づいて行われたもので、岩石系系外惑星に大気が存在することを示すこれまでで最も強力な証拠の1つである。 TOI-561 b は、太陽よりわずかに小さく温度が低い恒星を周回しています。公転距離は水星と太陽の間の距離の約40分の1にすぎません。そのため、公転周期はわずか約10.56時間で、片面は常に星の強い放射線にさらされています。
既存の理論によれば、これほどの大きさと極度の熱を持つ惑星は、形成後すぐに大気を失い、「裸の岩」になるはずだ。しかし、ウェッブ望遠鏡からの赤外線データを分析したところ、研究チームはこの惑星がかなり厚い大気で覆われていることを発見しました。これは明らかに超短周期惑星に関するこれまでの予想と矛盾しています。この残存大気は、TOI-561 b の平均密度が異常に低いことを説明するのにも役立ちます。TOI-561 b は岩石惑星ではありますが、全体の密度は地球に似た組成に基づいて予想されるよりも小さいのです。
プロジェクトリーダーの一人でカーネギーサイエンスの天文学者であるヨハンナ・テスケ氏は、観測計画を立てる際にチームが別の考えられる説明を検討したと指摘した。それは、惑星の鉄核が小さくなり、マントルが低密度の岩石で構成されており、全体の密度が減少している可能性があるというものだ。同氏は、TOI-561 b は、その親星が天の川銀河の厚い円盤領域に属し、年齢が太陽の約 2 倍で、鉄分が少ないという点でも特別であると強調した。これは、惑星形成時の化学環境が太陽系とは全く異なることを意味しており、宇宙初期に形成された惑星の典型的なサンプルである可能性がある。
ただし、異常の内部構成要素だけでは、観察されたすべての現象を説明するのに十分ではありません。そこで研究チームは、惑星の厚い大気の可能性に焦点を当て、この大気こそが惑星を「大きく」見せ、その結果計算された平均密度が低くなったのではないかと推測した。この仮説を検証するために、天文学者たちはウェッブ望遠鏡の近赤外分光計 (NIRSpec) を使用し、「恒星の後ろに進む」際のシステムの明るさの変化を測定することで、惑星の昼側の温度を推定しました。
理論によれば、TOI-561 b が大気のない「裸の岩」であり、熱を夜側に輸送できない場合、その昼の温度は華氏約 4900 度 (摂氏約 2700 度) に近くなるはずです。実際の観測によると、惑星の昼間の温度は華氏約 3,200 度 (摂氏約 1,800 度) で、それでも非常に暑いですが、大気のないモデルで予測されるよりも大幅に低いです。研究チームは複数のシナリオを比較した。マグマの海の熱対流自体はある程度の熱を輸送できるが、大気が存在しない場合、星から離れた側が冷えて固まっている可能性が高く、夜の側への熱輸送が制限される。
Another hypothesis is that there is an extremely thin layer of rock vapor above the magma sea on the planet's surface, but models show that such a "vapor cap" alone is not enough to produce such a significant cooling effect. Anjali Piette, a scholar at the University of Birmingham in the UK who participated in the study, pointed out that in order to fully explain these observations, a thick atmosphere rich in volatiles is needed. Strong winds will transport heat from the day side to the night side, while gases such as water vapor will absorb part of the near-infrared radiation, reducing the light flux received by the telescope, making the planet look "cooler".明るいケイ酸塩の雲は、星の光を反射することで大気をさらに冷却する可能性もあると彼女は付け加えた。
While confirming the existence of an atmosphere, another key question arises: How can such a small and hot planet maintain a thick atmosphere under intense radiation?研究者らは、一部のガスは引き続き宇宙に逃がし続けるはずだが、その逃走率は当初の予想よりもはるかに低い可能性があると考えている。 Tim Lichtenberg from the University of Groningen in the Netherlands proposed that there is a dynamic balance between the magma sea on the surface of the planet and the atmosphere: on the one hand, gas continuously escapes from the interior of the planet to replenish the atmosphere, and on the other hand, the magma "sucks" some of the gas back into the interior of the star.
从观测和模型推演看，要维持如此状态，TOI-561 b必须比地球富含得多的挥发性物质，可被形象地称为“一颗湿润的熔岩球”。 特斯克表示，新数据集不仅给出了首批清晰证据，也抛出了比答案更多的新疑问，尤其是关于超短周期岩质行星的形成和长期演化。
此次成果是韦布望远镜一般观测者项目3860的首批科学产出，该项目对TOI-561体系持续观测逾37小时，期间该行星几乎完成四圈公转。 团队目前正在进一步剖析完整数据，以绘制行星周向温度分布，并更精确约束其大气成分。 卡内基地球与行星实验室的研究者在韦布项目构想初期即深度参与，如今已在该望远镜前四个观测周期中牵头十余个课题，涉及系外行星大气、星系形成等多个前沿方向。
卡内基地球与行星实验室主任迈克尔·沃尔特表示，这些突破与该机构长期在行星演化与动力学领域的积累高度契合，将推动人类对系外行星特性的整体认识。 他预计，随着更多观测时间获批，新一轮由卡内基团队主导的韦布科学发现将在未来一年陆续涌现。 相关研究论文已发表于《天体物理学快报》，题为《超热超级地球TOI-561 b上的厚挥发物大气》，详细介绍了此次温度测量、大气模型与行星内部结构推演的技术细节及结论。
/ScitechDaily から編集