近くにある「スーパーアース」は、科学者たちに、地球とはほとんど似ていない遠く離れた岩石惑星の露出した表面を直接覗き込む貴重な機会を与えている。 LHS 3844 bと名付けられたこの惑星は、高温で暗く、大気のない世界であり、表面組成と地質状態は地球に似た惑星よりも月や水星に近いことが最新の観測で示された。
科学研究チームは、NASA のジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) にある中間赤外線装置 MIRI を使用して、地球の太陽側の詳細な観測を実施しました。この研究は、ドイツのハイデルベルクにあるマックス・プランク天文学研究所（MPIA）で博士号取得のために学んだセバスチャン・ジバ氏が主導し、MPIA所長でプロジェクトの主任研究員であるローラ・クライドバーグ氏も参加した。系外惑星の大気に関するこれまでの焦点と比較して、この研究は研究の最前線を「系外惑星地質学」にさらに前進させ、太陽系外の岩石惑星の表面組成と進化の歴史を直接拘束しようとしている。関連する結果は、Nature Astronomy 誌に掲載されました。
LHS 3844 b は、地球よりも約 30% 大きい半径を持つ岩石惑星です。この惑星は、公転周期がわずか約 11 時間という非常に近い距離で低温の赤色矮星を周回しており、惑星と親星との距離は恒星の直径 3 つ分ほどしかありません。このような狭い軌道により、惑星は潮汐ロックされ、一方の側は常に恒星に向かって輝き、もう一方の側は永久に暗闇に包まれます。太陽の表面は約 1,000 ケルビン (摂氏約 725 度) と高く、惑星系全体は地球からわずか約 48.5 光年しか離れていません。
ウェッブ望遠鏡の優れた感度のおかげで、研究者たちは、岩石惑星の表面から来る熱放射の明るさを直接測定することができました。 「私たちが見たのは、大気がまったく感じられない、暗くて熱い不毛の岩だった」とクライドバーグ氏は観測について語った。望遠鏡は惑星の円形表面を直接分解できないため、研究者らは「二次日食」と「位相曲線」技術を使用して、軌道の変化に伴うシステム全体の全体の明るさの微弱な変動を追跡することで、惑星の太陽表面から放出される赤外線放射を反転させた。
MIRI は、この系を 5 ～ 12 ミクロンの帯域で観測し、この帯域をさらに細かいサブバンドに分割して、惑星表面放射の中赤外線スペクトル分布を取得します。また、チームはスピッツァー宇宙望遠鏡からの以前のデータを分析に組み込んで、スペクトル フィットの堅牢性を向上させました。さまざまな波長での明るさを理論モデルと比較することで、研究者らは、地球の花崗岩の地殻から月型の玄武岩やマントル由来の溶岩に至るまで、考えられるさまざまな表面物質の組み合わせを調べることができました。
この計算では、地球の大陸地殻と同様の地表シナリオが明確に除外されます。地球のケイ酸塩が豊富な花崗岩地殻は、通常、長いプレートテクトニクスとマグマの再循環によって形成され、多くの場合、液体の水の関与が必要となります。融解と分化を繰り返すことで、軽い鉱物が徐々に表面に浮き出てきます。ジバ氏は、LHS 3844 bのスペクトルにはこのケイ酸塩が豊富な花崗岩地殻の兆候は見られず、これは地球型のプレートテクトニクスが地球上で一度も起こらなかったか、長い間機能しなくなったことを意味すると指摘した。これはまた、惑星の内部水含有量が非常に低いことを意味しており、これは慣習的な意味での「地球に似た惑星」とは本質的に異なります。
その代わりに、観測結果は「玄武岩が支配する」地表シナリオを裏付けています。データと最も一致するモデルは、マントル由来のマグマが固まって形成された広大な玄武岩で、地球の広大な玄武岩平原や月の「マリア」に似ています。これらの岩石は通常、マグネシウムと鉄が豊富で、かんらん石などのさまざまな鉄-マグネシウムケイ酸塩鉱物が含まれています。フィッティングにより、より粗い岩石や砂利の層も観測値とよく一致するが、細かい塵だけで構成された表面は明るすぎて現在の観測値と一致しないことが示されました。
LHS 3844 b の表面は大気障壁がないため、親星からの放射線や隕石の衝突に完全にさらされており、いわゆる「宇宙風化」を長期間にわたって受けています。これらのプロセスにより、硬い岩石が月のレゴリスに似た小さな粒子に徐々に砕かれ、その表面に鉄と炭素が豊富になり、材料の色が暗くなり、より吸熱性が高くなります。ジバ氏は、この風化した暗いレゴリスこそが、惑星表面の全体的な光学特性と赤外線特性を観測結果とより一致させるものであると指摘した。
入手可能なデータに基づいて、チームは表面進化について 2 つの考えられるシナリオを提案しました。 1つ目は、この惑星の表面は比較的「若い」玄武岩質の岩石で広範囲に覆われており、最近または進行中の火山活動によって新鮮な溶岩が地表に運ばれていることを示唆している。 2 番目のタイプは、長期にわたる宇宙風化によって支配された「古い」表面です。かつてのマグマ平原は、何億年にもわたって放射線照射と衝撃によって繰り返し処理され、月や水星のような厚い暗い風化層で覆われています。スペクトル形態から判断すると、この後者の「長期沈黙」シーンの方が観察と一致しています。
2 つのシナリオを区別するための重要な指標は、地球上で進行中の火山活動の存在です。地質学的に活動的な天体の多くでは、火山が大量のガスを放出します。二酸化硫黄 (SO₂) はその代表的なトレーサーの 1 つです。 LHS 3844 b に現代の強い火山活動がある場合、MIRI は理論的には中赤外スペクトルで SO2 の特徴的な吸収バンドを特定できるはずです。しかし、観測ではそのような特徴は検出されず、最近の火山活動の可能性は大幅に低下しますが、その代わりに、その表面が長い間「冷却して休眠」しており、外観が水星に近づいているという説明を裏付けています。
この惑星の本当の姿をさらに明らかにするために、研究チームはさらなるJWST観測を計画しています。重要なタスクの 1 つは、光の散乱方法を利用して、惑星の表面の熱放射と反射特性をさまざまな視野角で測定し、粗い岩の表面と比較的滑らかなまたは緩い物質を区別することです。このタイプの技術は太陽系の小惑星の研究に成功しており、現在は系外惑星の分野に移植されており、科学者らはLHS 3844 bの表層が岩盤全体なのか、溶岩平原なのか、あるいは粉末や破片が厚く蓄積したものなのかを判断できるようになることが期待されている。
クライドバーグ氏は、研究チームは同じ手法を使えばLHS 3844 bの地殻特性が明らかになるだけでなく、将来的にはより岩石の多い系外惑星に関する「表面レベルの」情報も得られると確信していると述べた。ここで使用される JWST 観測は、「熱い岩石系外惑星 LHS 3844 b 上の火山と地球力学の兆候の探索」と題された一般観測プロジェクト 1846 によるもので、彼女が主任研究員を務め、Ren Ru が共同主任を務めています。この研究に参加している機関は、米国、ドイツ、中国およびその他の国にあり、ハーバード・スミソニアン天体物理学センター、カリフォルニア工科大学、ジェット推進研究所、北京大学、ペンシルバニア州立大学、NASA ゴダード宇宙飛行センター、および多くのヨーロッパの大学や研究機関が含まれます。
この観測を担当する MIRI 装置は、ベルギー、デンマーク、フランス、ドイツ、アイルランド、オランダ、スペイン、スウェーデン、スイス、英国を含む多くのヨーロッパ諸国の共同チームによって開発されました。関連する研究は、各国の国立科学研究機関の資金提供を受けて実施されました。ドイツでは、主な資金提供者はマックス・プランク協会とドイツ航空宇宙センターで、参加機関にはハイデルベルクのマックス・プランク天文学研究所、ケルン大学、ヘンソルト社が含まれます。現在最も重要な宇宙天文学施設の 1 つであるジェームス ウェッブ宇宙望遠鏡は、NASA が主導し、欧州宇宙機関とカナダ宇宙機関も参加しており、初期の銀河形成、星と惑星の誕生、系外惑星の大気と表面特性の分野に新たな窓を開くことに取り組んでいます。これに先立ち、スピッツァー宇宙望遠鏡は赤外線観測による系外惑星研究の基礎を築き、その関連プロジェクトは NASA に代わってカリフォルニア工科大学のジェット推進研究所によって運営されていました。