天文学者たちは、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) を使用して、「禁断の惑星」として知られる巨大な系外惑星である TOI-5205 b のより詳細な観測を実施し、その大気中の重元素の含有量が異常に低く、それが周回する親星の含有量よりもさらに低いことを発見しました。この発見は、惑星の形成と進化に関する伝統的な理論に直接疑問を投げかけます。


関連する研究は、NASA ゴダード宇宙飛行センターのカレブ・カーニャス氏が主導し、カーネギー科学研究所のシュバム・カノディア氏と多国籍研究チームが参加して、『天文学ジャーナル』に発表された。

TOI-5205 b は、大きさは木星と似ていますが、その親星ははるかに小さい赤色矮星です。その恒星の半径は木星の約 4 倍、質量は太陽の約 40% です。惑星が地球の視線から恒星の前を通過すると、恒星の明るさの約 6% が遮られます。科学者たちは分光計を使用して、通過中のさまざまな波長の光の変化を分析し、それによって惑星の大気の化学組成を逆転させ、その形成の歴史を推測します。

主流の理論によれば、惑星は若い星の周りのガスと塵の回転する円盤の中で誕生し、巨大惑星は一般に物質が豊富な円盤の中で進化します。しかし、TOI-5205 のような小さくて低温の星の近くには、近くを公転する巨大な惑星があります。このような惑星と星の比や軌道配置は既存のモデルでは合理的に説明することが難しいため、「禁断の惑星」と呼ばれています。

このような「異常な」惑星を体系的に研究するために、タンパ大学のカノディア氏、カーニャス氏、ジェシカ・リビー・ロバーツ氏は、JWSTの第2サイクルにおける最大規模の系外惑星観測プロジェクトの1つである「赤色矮星と七つの巨人」プロジェクトの実施を主導しており、特に総称してGEMS（巨大系外惑星およびM矮星系）として知られる、M型矮星を周回するこの種の巨大惑星に焦点を当てている。

TOI-5205 b はもともと NASA のトランジット系外惑星調査衛星 (TESS) によって発見され、候補としてマークされました。カノディアは 2023 年の追跡観測を通じてこの惑星の存在を確認し、現在は JWST を使用して大気の最初の詳細な特性を作成したチームの中心メンバーの 1 人です。

研究チームは、3つの通過イベントのデータ分析を通じて、TOI-5205 bの大気中の水素に対する重元素の存在量が木星よりも少ないだけでなく、その親星の存在量よりもさらに少ないことを発見した。これは、人々が一般に巨大惑星に期待するものとは対照的です。通常、巨大惑星は形成中により重元素が豊富になるため、全体的な「金属量」は主星よりも高くなる傾向があります。観測では、惑星の大気中にメタン (CH₄) と硫化水素 (H₂S) の存在も検出され、その化学構造に関するさらなる手がかりが得られました。

大気中で観察された「金属不足」現象を理解するために、チューリッヒ大学のサイモン・ミュラーとラビット・ヘレドは、惑星の内部構造のモデルを使用して、TOI-5205 b の全体的な組成を推定しました。この結果は、惑星全体の「金属量」が、通過法で測定された大気の組成よりも約 100 倍高い可能性があることを示しています。つまり、惑星の内部には重元素が豊富に存在しますが、これらの重元素は大気中に効果的に混合されません。

論文の共著者であるカノディア氏は、モデルで予想される全体の金属含有量と観測された大気金属含有量の間には明らかなギャップがあり、これは惑星の形成過程で重元素が内部に移動する傾向があり、深部内部に「閉じ込められる」傾向があり、外部大気との物質混合効率が低いことを示唆していると説明した。さまざまな証拠に基づいて、研究チームはTOI-5205 bには「炭素が豊富で酸素が少ない」異常な大気環境があると考えています。

研究者らはデータ処理中に、親星の黒点の影響も具体的に含めた。これらの星の表面の暗い領域は、観察されるスペクトル特性を微妙な方法で変化させます。つまり、潜在的な大気信号をマスクしながら、特定のバンドの相対強度を強化します。修正しないと、大気組成の決定に偏りが生じやすくなります。ウォラックとカノディアは現在、新しい JWST 観測でこの補正方法をさらに検証しており、活動性の高い恒星の周りの惑星の大気を将来研究するためにより信頼性の高い観測と分析の枠組みを提供したいと考えています。

この調査はGEMS調査プログラムの一部です。 M型矮星を周回するトランジット巨大惑星を系統的に観測し、その形成過程や内部構造、大気の性質を解明することを目標としています。参加チームには、カーネギー科学研究所の天文学者ピーター・ガオ氏、ヨハンナ・テスケ氏、ニコール・ウォラック氏、そして現在は教員で元カーネギー博士研究員のアンジャリ・ピエッテ氏も含まれている。