NASA のジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) による最新の観測は、「ピンクの惑星」と呼ばれる系外惑星の周囲に塩で構成された奇妙な雲の存在を示し、宇宙で最も冷たい惑星のような伴星の 1 つの大気構造の直接的な証拠を提供し、10 年以上天文学界を困惑させてきた謎を解決しました。関連する研究はノースウェスタン大学が主導し、6月18日付けの天文学ジャーナルに掲載された。
正式にGJ 504 bと指定されるこの「ピンクの惑星」は2013年に初めて発見され、地球から約57光年の距離にある太陽に似た恒星の周りを周回している。その「惑星」という名前にもかかわらず、科学者たちはそれが真の惑星として分類されるべきかどうか完全に確信を持っていない。木星の約25倍の質量があり、巨大惑星と褐色矮星の境界線に近いため、研究者たちはより慎重にそれを「惑星質量伴星」、つまり恒星の周りを周回する惑星のような物体と呼んでいる。
GJ 504 b は、その極度の低温とかすかな明るさのため、長い間研究が困難でした。これまでに直接撮影された系外惑星のほとんどは、華氏約1,000度から2,000度（摂氏約538度から1,093度）の温度を持っていますが、GJ 504 bは華氏約550度（摂氏約290度）しかなく、オーブンでパンを焼く温度とほぼ同じです。研究チームは、この比較的「冷たい」状態はその非常に古い時代を反映していると分析した。つまり、巨大惑星は生まれたときは非常に高温であるが、数十億年かけて徐々に冷えていくのだという。 GJ 504 b の年齢は 25 億年から 40 億年の間であると推定されています。
研究を主導したノースウェスタン大学天体物理学センター（CIERA）の博士研究員アニーシュ・バブラジ氏は、「ピンク色の惑星は、地上の機器を使って発見された伴星の中で最も冷たい天体だ」と指摘した。過去10年ほどにわたり、多くのチームが世界最大の地上望遠鏡を使って大気のスペクトルを取得する追跡観測を実施しようと試みてきたが、目標が暗すぎるためいずれも失敗に終わっている。比較すると、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、高感度の赤外線観測能力を備えており、約2時間の観測でこの伴星の大気スペクトルを分離することに成功し、そのような「冷たい暗黒世界」を研究するための重要な新しいツールとなった。
今回の観測では、研究者らはJWSTを用いて主星と伴星を高コントラストで撮影し、高度なデータ処理手法を用いて親星からの強いグレアを除去し、最終的に伴星自体が発するスペクトル信号を抽出した。光をさまざまな波長に分解することで、科学者は大気中の化学的な「指紋」を分析し、その中に存在する元素や分子の種類を推測することができます。スペクトルの取得に成功した後、チームはすぐに、この「ピンクの惑星」の大気の特徴が「これまでに分析されたものとは非常に異なっている」ことに気づいたとバブラジ氏は語った。
スペクトル分析の結果は、GJ 504 b の大気には水蒸気、メタン、二酸化炭素、アンモニア、その他さまざまな分子成分が含まれていることを示しています。しかし、研究チームがこれらの観測結果を既存の大気モデルと比較したところ、非現実的な極端な条件が導入された場合、最初はかろうじてデータとしか一致できませんでしたが、これは明らかに物理学の常識に反していました。本当の進歩は、科学者たちがシミュレーションに雲を追加し始めた後に起こりました。さまざまなタイプの雲をモデルに導入し、スペクトルへの影響を 1 つずつテストしたところ、塩雲モデルは他のオプションよりも測定データとはるかに良く一致しました。
研究では、これらの塩雲が惑星大気のより深い層を覆い隠し、最終的にJWSTによって検出されたスペクトル信号が主に雲の上または近くの領域から来ている可能性があり、その結果、分子の吸収と散乱の特性が変化した可能性があると指摘している。バブラジ氏は、「シミュレーションに雲を追加した後、結果は冷たい惑星についての理論的理解と一致し始めた。3 つの異なるタイプの雲を試したところ、塩雲スキームが最も適していた。」と述べた。塩雲の影響を考慮した結果、より深い層に隠された大気分子の特性は適度に弱まり、スペクトルモデルは最終的に物理的に合理的なものになりました。
この研究は、冷たい惑星質量物体の大気中に塩雲が存在することを示す最初の直接的な証拠であると考えられており、また、10年以上前に科学界によって提唱されたある種の理論的予測を検証するものでもある。同時に、GJ 504 b には重元素（天文学者が総称して「金属」と呼ぶ水素とヘリウム以外の元素）が異常に豊富に含まれていることも観測により示されており、これはその形成過程が通常の巨大惑星とは異なることを意味している可能性がある。既存のデータに基づいて、研究チームは、この天体が惑星円盤の集合体によって形成された「巨大惑星」に近いのか、それとも重力崩壊によって形成された小さな恒星や褐色矮星に近いのかをまだ判断できていない。その起源の問題については、さらに詳細な研究が必要です。
研究者らは、今回の研究でジェームズ・ウェッブ望遠鏡が実証した方法は、より類似した淡く冷たい天体を探索するための新たな窓を開くことになると強調した。たとえば、木星にはアンモニア氷の厚い雲が上層大気を覆っていますが、既存の機器ではまだこれらの雲の構造を GJ 504 b と同様の詳細レベルで観察することができません。今日、GJ 504 b の大気中の塩雲の検出に成功したことは、天文学者が詳細に研究できる冷たい世界の種類を着実に拡大していることを示しており、太陽系内外の雲や大気構造の将来の探査に重要な参考資料を提供しています。
バブラジ氏は、冷たい惑星質量天体のスペクトルを解釈する上で塩雲が「重要な役割」を果たしていることが判明したのは今回が初めてであり、大気モデルの構築と修正に重要な意味を持つと指摘した。同氏は、「これは重要な注意事項です。シミュレーションでは、雲の存在と影響をより体系的に考慮する必要があります。」と念を押しました。 JWST がハイコントラストイメージングと分光観測を継続することで、GJ 504 b のような冷たい暗黒系外伴星がさらに詳しく研究され、それによって人類が宇宙の多様な惑星や星以下の世界をより包括的に理解できるようになることが科学者らは期待している。