アメリカとヨーロッパの科学研究チームは、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) を使用して、超高温の木星に似た系外惑星 WASP-121 b の「日の出側」と「日没側」の大気特性の大きな違いを発見しました。これは、これまでで最も明確な証拠の 1 つであり、惑星の昼夜の境界帯 (ターミナルライン領域) の環境が経度の違いで劇的に変化することを示しています。関連する結果は、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) によって主導され、雑誌 Nature Astronomy に掲載されました。
MPIAの博士課程学生シリル・ギャップ率いる研究チームは、惑星の通過中にJWSTが取得した赤外線スペクトルを使用して、WASP-121 bの大気の温度構造と化学組成の詳細な分析を実施した。惑星が私たちの視線の前で親星を通過するとき、星の光の一部は惑星の大気を通過して望遠鏡に到達します。スペクトル内のさまざまな波長での吸収の変化により、大気中のガスの組成と温度に関する情報が記録されます。研究チームは、通過の開始時と終了時に、惑星の大気による赤外線の吸収に明らかな非対称性があることを発見した。この不均衡は、地球の「朝」と「夕方」の終端線の両側の大気条件に大きな違いがあることを示しています。
データ分析の結果、惑星の日没側（イブニング・ターミネーター）は日の出側よりもはるかに多くの恒星の光を吸収することが示されており、これは理論によって予測される大規模な高高度の高速風のパターンと非常に一致しています。既存のモデルでは、このような超高温のガス巨大惑星では、暑い日中側が涼しい夜側に熱を運び、惑星が回転するにつれて支配的な風系が東方向に流れ、その結果、夕方側の大気をより激しく加熱すると考えられている。温度の上昇により、この領域の大気が膨張し、光学的に等価な「惑星の半径」がわずかに大きくなり、親星からの放射線をより多く吸収することになります。
JWST 近赤外分光計 (NIRSpec) による観察では、一酸化炭素 (CO) 吸収信号が通過の後半で増加する一方で、システム全体の明るさがわずかに減少することも示されています。研究者らは、このCO信号の増強は、一酸化炭素の存在量そのものの増加ではなく、主に温度の構造変化を反映していると指摘した。対照的に、水分子 (H₂O) は減少の本当の兆候を示しています。気温が上昇し、大気上層で水分子が破壊され、水分子がより軽い原子またはグループに分裂します。これは、強風が夕方のゴールラインを加熱するというさらなる証拠を提供します。
WASP-121 b は、極端な「ホットジュピター」惑星です。潮汐力によって公転と自転が固定されており、自転周期と公転周期はともに約30時間同期している。したがって、常に同じ側が親星に面し、常昼と常夜の二つの半球が形成されます。これまでの研究では、惑星の昼側の平均温度は約2770ケルビン、夜側は約1000ケルビンであることが示されています。摂氏に換算すると昼側は2500℃近く、夜側は約725℃になります。通過中、惑星は恒星の直径がわずか約 1.9 と恒星に非常に近いため、惑星自体は星の円盤に入ってから出るまで約 30 度回転し、これにより望遠鏡は 1 回の通過で異なる経度の大気領域を「スイープ」することができます。
観測幾何学的には、トランジットの前半は主に夜側と朝側に近い昼側の一部「モーニングアーク」が見られ、後半は夜側と夕方側の「トワイライトアーク」が見られます。天文学者は分光計を使用して、受け取った光をさまざまな波長に分割します。プリズムが白色光を虹に分割するのと同じように、さまざまなガスが特定の波長帯域に吸収の痕跡を残し、大気の化学組成を明らかにします。この研究の重要な点は、チームが従来の手法のように通過データ全体を単純に平均したのではなく、スペクトル信号を時間の経過とともに変化させ、その後統計分析を通じて経度による大気の違いを復元したことです。
シリル・ギャップらは、WASP-121 bでは惑星が完全な通過中に約30度回転しており、これはデータ内の「朝の線」と「夕暮れの線」の2つの終端線を明確に区別するのに十分であると指摘した。時間分解スペクトル信号を経度次元に投影したところ、経度の非対称性を導入したモデルの方が、通過全体の平均をとった従来のモデルよりも大幅に優れていることがわかりました。統計結果は「確かに朝と夕方では雰囲気が違う」という結論を強く裏付けた。
観察された非対称性を説明するのに温度差が十分であるかどうかをテストするために、研究チームは三次元大循環モデルを使用して、巨大ガス惑星の上層大気における熱輸送プロセスをシミュレートした。このモデルは、一般的な傾向における温度勾配によって引き起こされる非対称な吸収の特徴を再現していますが、シミュレートされた信号の強度は実際の観測値よりも依然として低く、惑星の朝側に追加の冷却メカニズムが存在する可能性を示唆しています。研究者らによって提案された考えられる説明の 1 つは「鉱物雲」です。これまでの研究では、WASP-121 b にはケイ酸塩などの鉱物で構成される雲がある可能性があると考えられていました。これらは水滴雲ではなく、高温で形成された鉱物粒子雲です。
このような鉱物雲は、大気のより深い、より熱い層からの赤外線放射を遮断し、上層大気を実際よりも冷たく見せます。しかし、高速の風、厳しい温度差、継続的な強い放射線の影響下では、雲粒子の形成、凝縮、蒸発、輸送のプロセスは非常に複雑になります。現在、大気数値モデルのほとんどは、これらの微小物理学的詳細を完全に組み込むことができません。この研究では、研究者らはモデルを修正し、簡素化された方法で赤外線に対する雲の遮蔽効果を追加しました。シミュレーション結果と JWST 観測値の間の一致は大幅に改善されました。しかし、彼らはまた、WASP-121 b 上の鉱物雲の存在を最終的に確認するには、より高度なモデルとさらなる観測がまだ必要であることも強調した。
この研究は、WASP-121 b 自体の大気における経度の違いを明らかにするだけでなく、極端な系外惑星大気の構造を調査する新しい方法も実証します。大気循環と放射伝達モデルがさらに改良されると、研究者らは同じ「回転通過」技術を利用して、より高温のガス巨大惑星でも同様の子午線大気分布を描くことが期待される。研究チームは、温度範囲、自転、公転周期の点で同様の観測に適した対象惑星のグループを選択した。将来的には、体系的な比較を通じて、これらの極端な惑星の経度方向に共通のパターンがあるかどうか、また、異なる物理的条件がそれらの大気環境をどのように形成するかが解明されることが期待されています。
論文によると、この研究で使用されたJWSTの観測データは、トーマス・エヴァンス・ソーマ氏率いる定期観測プロジェクトGO #1729（「超高温惑星WASP-121bのNIRSpec位相曲線」）や、デイビッド・ラフニエール氏率いる予約観測プロジェクトGTO #1201（「通過系外惑星の大気多様性に関するNIRISS調査」）など、複数のプロジェクトから得られたものだという。 NIRSpec 装置は、欧州宇宙機関 (ESA) の委託を受けて欧州の産業界によって開発されました。ドイツのオットブルンにあるエアバス・ディフェンス・アンド・スペースが主契約者です。 MPIA は、フィルター ホイールやグレーティング ホイールなどの主要コンポーネントの開発に参加しました。検出器と微小開口アレイ システムは、NASA のゴダード宇宙飛行センターによって提供されました。
ジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡は、現在世界で最も重要な宇宙天文観測施設の 1 つです。これは、米国宇宙局 (NASA)、欧州宇宙機関 (ESA)、およびカナダ宇宙機関 (CSA) によって共同運営されています。系外惑星の大気から宇宙の初期銀河に至るまで、多くの分野における最先端の科学探査に取り組んでいます。 WASP-121 b のような極端な世界の「昼と夜の境界線」におけるこれらの微妙な違いを捉えることは、科学者が惑星の気候と大気の力学について理解を広げるのに役立ち、また、将来的にはより遠い世界の環境条件を見つけて評価するための新しいツールも提供します。