米国航空宇宙局 (NASA) の研究者たちは、ジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) を使用して、前例のない「奇妙な惑星」、PSR J2322-2650b を発見しました。それはパルサーを周回しているだけでなく、ほぼ「純粋な炭素」の大気と、内部でダイヤモンドに結晶化している可能性のある物質構造を持っています。 「まったく予想外の惑星タイプ」と評されている。
ジェームズ ウェッブ望遠鏡は、現在世界で最も強力な赤外線宇宙望遠鏡です。 NASA、欧州宇宙機関、カナダ宇宙機関によって共同開発されました。主に、赤外線帯域を観測することにより、より低温の惑星、拡散した塵の多い領域、および非常に遠い銀河を研究します。これらのターゲットは、通常の光学望遠鏡では直接見ることが難しいことがよくあります。この観測では、ウェッブ望遠鏡は PSR J2322-2650b という名前の系外惑星を捕捉しました。この惑星は木星とほぼ同じ質量ですが、パルサーを周回していますが、これは既知の惑星系では非常にまれです。
いわゆるパルサーは、高速回転する中性子星の一種です。それは、大質量星の超新星爆発の後に残された高密度の核です。質量では太陽よりも大きくなる場合もありますが、都市程度の大きさにすぎません。パルサーは、磁極の方向に沿って電磁放射のビームを放射します。これらの放射線ビームは回転するにつれて灯台のように空を横切り、観測では周期的なパルス信号が示されます。現在、パルサーを周回する惑星は天文学界に知られている数少ない惑星しか発見されておらず、PSR J2322-2650b は、以前に記録された同様の惑星とは組成や構造がまったく異なります。
観測結果によると、この惑星の大気は、ほとんどの系外惑星で一般的な水、メタン、その他の分子ではなく、主にヘリウムと炭素で構成されていることがわかりました。科学研究チームは、大気スペクトルで炭素分子、特に C2 と C3 を検出しました。通常、炭素は酸素または水素と結合して二酸化炭素やメタンなどの化合物を形成することを好むため、直接結合した炭素原子で構成されるこのタイプの分子は惑星大気中では非常にまれです。研究者らは、この惑星の大気中の炭素対酸素の比率は100を超え、炭素対窒素の比率は10,000をさらに上回っており、ほとんどの既知の系外惑星をはるかに上回っており、これはその大気がほぼ「炭素が豊富な環境」とみなせることを意味していると指摘した。
この研究に参加したカーネギー地球惑星研究所の科学者ピーター・ガオ氏は、研究チームが初めてデータを見たとき「目を疑った」と述べ、「これは我々が予想していた種類の惑星大気では全くない」と嘆いた。シカゴ大学のマイケル・チャン氏は、この惑星が周回するパルサーはそれ自体が非常に特殊で、「太陽の質量に近いが都市程度の大きさしかない」と指摘し、PSR J2322-2650bの大気の種類は「これまでに見たことのない新しいカテゴリーである」と指摘した。
温度と圧力の極端な条件下では、地球はさらに奇妙な様相を呈します。研究によると、昼と夜の温度差は大きく、夜の側の気温は華氏約1,200度（摂氏約650度）、昼側の気温は華氏約3,700度（摂氏約2,000度）にも達します。このような環境では、煤のような炭素塵の雲が大気中に浮遊しています。研究者らは、惑星内部の巨大な圧力の下で、これらの炭素塵雲は徐々にダイヤモンドなどの結晶構造に変化し、地球深部で炭素の結晶化プロセスが起こっているのではないかと推測している。
スタンフォード大学のロジャー・ロマーニ氏は、伴星が冷えるにつれて内部の炭素と酸素の混合物が結晶化し始め、純粋な炭素の結晶が上層に「浮遊」してヘリウムと混合し、これが観測で見られる大気の特徴の源であると説明した。同氏はまた、なぜ酸素と窒素がこのプロセスから除外されるのかを説明するのは依然として大きな謎であると指摘した。 「それらを『ブロックする』ための何らかの重要なメカニズムがなければなりません。これはまだ解決されていない問題です。」
トラック構造の観点から見ると、このシステムには「極端な」ラベルも付いています。 PSR J2322-2650b はパルサーからわずか約 100 万マイル離れています。比較すると、地球と太陽の間の平均距離は約 1 億マイルで、その 100 倍です。このような狭い軌道では、惑星は 1 回転 (1 年) を完了するのにわずか約 7.8 時間しかかかりません。これは地球の 1 年よりもはるかに短いです。
強い重力による潮汐作用により、惑星はほぼ球形ではなくレモンのような形に「引っ張られ」ます。重力は、質量を持つ物体を互いに引き付ける基本的な力です。密度の高い天体が伴星に非常に近く、質量に大きな差がある場合、潮汐力によって伴星の内部に大きな応力差が生じ、全体の変形につながります。この現象は、PSR J2322-2650b で特に顕著です。
科学研究チームは、このシステムが天文学におけるいわゆる「ブラック・ウィドウ」システムに何らかの形で関連している可能性があると考えています。 「ブラック・ウィドウ」星系は通常、パルサーと近接伴星で構成されています。パルサーは、強力な放射線と高エネルギー粒子の流れによって伴星の物質を継続的に「共食い」し、最終的には高密度の残骸核のみが残る可能性があります。しかし、今回の発見では、PSR J2322-2650b の質量は木星の 13 個分よりも小さいため、恒星の残骸という意味での「伴星」ではなく、正式には系外惑星として分類されました。
その形成メカニズムに関しても、この惑星に既存の理論モデルを適用することは困難です。張教授は、現在観測されている組成から判断すると、この天体は大気の化学組成が通常の惑星とは全く異なるため、「普通の惑星」のような若い星の周りに原始惑星系円盤内でガスや塵が徐々に集合して形成されたものではないことは明らかだと指摘した。同時に、それを「ブラック・ウィドウ」星系で剥奪された星の残骸の核として扱うことには問題がある。なぜなら、既存の核物理プロセスは、ほぼ「純粋な炭素」の物体の形成をサポートしていないからである。つまり、その起源についての私たちの理解はまだ非常に予備的であることを意味する。
この発見は、ウェッブ望遠鏡の赤外線帯域における鋭い視覚のおかげで可能になりました。赤外線は宇宙の塵雲を透過し、天文学者がより低温でより暗いターゲットを観察するのに役立ちます。パルサー自体は主にガンマ線と高エネルギー粒子を放出します。これらの放射線はウェッブの作用帯域の外側にあるため、惑星大気の赤外分光測定には干渉しません。
さまざまな波長で惑星のスペクトル指紋を分析することで、科学者は大気中にどの原子や分子が存在するかを推測し、温度、化学組成、圧力構造などの重要なパラメータをさらに推定することができます。スタンフォード大学のマヤ・ベレズネイ氏は、このシステムでは研究者は「パルサーによって照らされた惑星のスペクトルしか見ることができず、パルサー自体を直接見ることはほとんどない」と指摘した。これにより、クリーンでクリアなスペクトル信号を取得するためのまれな条件が提供され、このシステムに系外惑星研究における独自の利点がもたらされます。
確認されている系外惑星の総数は約6,000個。この大規模なサンプルの中で、PSR J2322-2650b は、「ホットジュピター」の軌道特性と「パルサー伴星」の特性との間のこのような特異な組み合わせを形成する唯一のターゲットです。その異常な炭素に富んだ大気、極端な化学組成、重力によって引き伸ばされたレモン型の形状、異常にコンパクトな動的構造が組み合わさって前例のない惑星サンプルを構成しており、惑星がどのように形成され、進化し、さらには極端な宇宙環境で生存するのかについて新たな疑問を投げかけています。また、将来の惑星科学や高エネルギー天体物理学の研究に新たな観測の方向性を切り開きます。