ボルドー大学、東京大学、アストロバイオロジーセンターを中心とする国際研究チームは、すばる望遠鏡の超広視野主焦点カメラなどを用いて星形成領域を撮影した画像から、浮遊惑星の均質なサンプルとしては過去最大の、およそ 100 個もの天体を発見しました。星形成の理論モデルと比較した結果、これらのほとんどは星のように分子雲から生まれたのではなく、惑星のように恒星の周りで生まれたのちにそれぞれの惑星系から放出されたことが明らかになりました。宇宙空間を漂う謎の惑星質量天体の正体と起源に迫った重要な成果です。

太陽以外の恒星を周回する惑星 (系外惑星) の観測の発展は目覚ましく、これまでに 4500 個を超える系外惑星が発見されています。一方で、惑星程度の質量でありながらも、系外惑星のように恒星を周回せずに宇宙空間をただよう天体の存在が、2000年頃から日本、英国、スペインの独立な観測により明らかになってきました。これらは「浮遊惑星」、あるいは「孤立惑星」と呼ばれています。惑星と同じく木星質量の約 13 倍より軽い天体ですが、近くに明るい恒星が存在しないため、宇宙空間に孤立して浮遊しているものと考えられています。

このような浮遊惑星は、褐色矮星 (注１) と同様に、質量が小さいために核融合を起こして自ら輝くことができず、非常に暗い天体です。そのため、浮遊天体を直接に画像として捉え、そのスペクトルを調べた例は限られており、直接観測による発見自体も散発的なものでした (注２)。

今回、ボルドー大学、東京大学、アストロバイオロジーセンターを中心とする国際研究チームは、さそり座からへびつかい座にかけての星形成領域 (約 171 平方度) に着目しました。この星形成領域は、太陽よりずっと重い大質量星から太陽より軽い小質量星までが集団で生まれている領域としては地球に最も近い領域のひとつで、さまざまな星やその集団の形成について詳しく調べることができます。

研究チームは、世界中の観測所における過去 20 年間の可視光線および赤外線の画像約８万枚を集約し、2600 万天体の位置、明るさ、固有運動 (天球面上での天体の動き) を含むカタログ (DANCe; Dynamical Analysis of Nearby ClustErs、近傍の星団の力学解析) を作成しました。DANCe カタログには、すばる望遠鏡の広視野カメラ Hyper Suprime-Cam (ハイパー・シュプリーム・カム) や Suprime-Cam (シュプリーム・カム) のデータも含まれており、そのシャープな画像は天体の位置を精密に求める上で重要な貢献をしました。

研究チームは、ガイアとヒッパルコスという２つの位置天文衛星 (注３) のデータを組み合わせ、星の固有運動をさらに精密に求めた結果、この星形成領域にあると推定されるおよそ 100 個もの、惑星質量と考えられる暗い天体を DANCe カタログから抽出することに成功しました。近くに恒星が存在しない浮遊惑星を、一つの領域で均質に捉えた数としてはこれまでで最多となります。なお、惑星よりも重い天体まで含めると、この領域で 3455 個の天体が同定されています。

浮遊惑星を含む多数の生まれたばかりの「星」ぼしが同定されたので、この星形成領域で「どの重さの星が、それぞれ何個生まれるか？」、つまり「初期質量関数」と呼ばれる問題に迫ることができます。宇宙でなぜ太陽のような質量をもった星が多数生まれるのか、それより重い星や軽い星は相対的にどの程度生まれるのかという問いは、星から構成されている銀河の研究にとっても不可欠な情報であり、天文学の最重要問題のひとつです。特に、太陽よりずっと軽い星の頻度はいまなお明らかではありません。

今回、太陽質量の 10 倍程度の重い星から、100 分の１以下の浮遊惑星までの質量関数が初めて正確に求められました。この質量関数を、星形成の標準理論、つまり、分子雲が自己重力で収縮して恒星や褐色矮星が生まれるというモデルと比較すると、観測された浮遊惑星の数は、理論モデルを惑星質量まで外挿して予想される惑星数をはるかに超えることが示されました。この結果は、恒星が集団で生まれ星団を形成した際に、個々の若い恒星の原始惑星系円盤の中で生まれた惑星が、惑星同士の重力散乱 (注４) などにより放出され、浮遊惑星の大部分が形成されたというシナリオを支持しています。つまり、この領域の大多数の浮遊惑星は「星のように生まれた」のではなく、「惑星のように生まれた」ことが判明しました。

今年の 12月にはアメリカ航空宇宙局 (NASA) の大型赤外線宇宙望遠鏡 JWST が打ち上げられる予定です。論文の共著者である田村元秀教授 (東京大学/自然科学研究機構アストロバイオロジーセンター) は「ハッブル宇宙望遠鏡の赤外線版後継機ともいえる口径 6.5 メートルの JWST にとって、浮遊惑星のような低温で微弱な明るさの天体は、高感度赤外線で観測すべき最適な観測対象となるでしょう。系外惑星と異なり、直接観測の邪魔になる明るい恒星が近くに無いからです。今回発見された浮遊惑星は、その大気の研究や通常の系外惑星との比較研究を行う上で重要なサンプルとなるでしょう」と今後の展望を語っています。

本研究成果は、Nature Astronomy (2021年12月22日付) に掲載されました (Núria Miret-Roig et al. ” A rich population of free-floating planets in the Upper Scorpius young stellar association“)。


(注１) 木星の約 80 ～ 13 倍の質量 (太陽の約 10 分の１～ 100 分の１の質量) の星を褐色矮星とよびます。

(注２) 2011年には、系外惑星を検出する間接方法のひとつである重力マイクロレンズの観測からも、銀河系内を漂うと考えられる浮遊惑星が多数存在することが示唆され、その数は恒星の数に匹敵すると推定されました。２つの恒星が一直線に並んだとき、アインシュタインの一般相対性理論に基づく、光が重力によって曲がる効果 (重力レンズ効果) によって、手前の恒星の重力がレンズのような働きをして、遠方の恒星の光が集められ、一時的に明るくなる現象を重力マイクロレンズ現象と呼びます。この現象により系外惑星や浮遊惑星を見つけることができますが、一時的な現象のため追観測ができず、その正体は謎でした。

(注３) Hipparcos (ヒッパルコス) と GAIA (ガイア) は、天体の位置と距離を正確に計測する位置天文衛星で、ヨーロッパ宇宙機関 (ESA) がそれぞれ 1989年と 2013年に打ち上げました。後継機である GAIA では、距離の測定精度が格段に上がり、新旧の位置天文衛星のデータを組み合わせることにより、天体の固有運動を精密に測ることができるようになりました。浮遊惑星を探査する過去の撮像観測では、多数の背景星が混入する問題があったのですが、今回、固有運動を加味することで、その星形成領域に属する天体であることの実証が可能になりました (恒星が集団で生まれる星形成領域のような領域では、浮遊惑星も恒星と同様の空間運動をしています)。

(注４) 惑星同士が互いの重力の影響を受け、軌道が変化することを重力散乱とよびます。この影響を大きくうけると、惑星が誕生した惑星系を飛び出し浮遊惑星になると考えられていました。今回の成果は、このシナリオを支持しています。

すばる望遠鏡について
すばる望遠鏡は自然科学研究機構国立天文台が運用する大型光学赤外線望遠鏡で、文部科学省・大規模学術フロンティア促進事業の支援を受けています。すばる望遠鏡が設置されているマウナケアは、貴重な自然環境であるとともにハワイの文化・歴史において大切な場所であり、私たちはマウナケアから宇宙を探究する機会を得られていることに深く感謝します。

■関連リンク

• 国立天文台 2021年12月23日 研究成果
• 東京大学 2021年12月23日 プレスリリース
• ハワイ観測所　2021年12月22日プレスリリース
• 親からはなれてただよう わく星たち (Space Scoop －子ども向け宇宙ニュース)

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発表概要：

東京大学および自然科学研究機構アストロバイオロジーセンターの研究者を中心とする研究チームは、系外惑星探索衛星TESSと地上望遠鏡の連携により、太陽系の近傍（138光年先）に新たな系外惑星「TOI-2285b」を発見しました。この惑星は地球の約1.7倍の大きさ（半径）をもち、また、地球が太陽から受ける日射量の約1.5倍という、これまでに発見された系外惑星の大半より弱い日射を主星から受けています。惑星は地球よりやや高温の環境をもつと考えられますが、もし仮に惑星が内部にH₂Oの層をもち、かつ水素を主体とする大気をもっていれば、惑星の表面に液体の水が存在する可能性もあります。主星が明るく詳細な追観測が可能なため、今後惑星の質量や大気組成を調べることで、惑星の内部組成についてより詳細な情報を得ることができると期待されます。

研究背景：

2009〜2018年に活躍したアメリカ航空宇宙局（NASA）のケプラー宇宙望遠鏡により、4000個を超える系外惑星がトランジット法（注2）で発見されました。その中には、生命の存在が期待される温暖かつ小型の系外惑星も多数含まれています（図1）。しかし、ケプラー宇宙望遠鏡で発見された惑星系の大半は太陽系から500光年以上遠方に位置し、主星が暗いために、惑星の質量や大気組成といった詳細な情報を得ることが困難でした。そこで現在、ケプラー宇宙望遠鏡の後継機に当たるTESS宇宙望遠鏡が、全天の明るい恒星を対象に系外惑星の探索を行なっています。TESSの探索で発見される明るい恒星まわりの惑星では、その後の追観測により、惑星の質量や大気組成などの詳しい情報が得られると期待されています。

　一方、解像度や観測期間などの制約のため、TESSの観測だけでは惑星の「候補」となる天体しか発見することができません。そのため、真の惑星を発見するためには、発見された惑星の候補天体を地上の望遠鏡を用いて詳細に観測し、真偽の検証を行う必要があります。そこで現在、東京大学および自然科学研究機構アストロバイオロジーセンターの研究者を中心とする研究チームは、国内外の口径2m級の3台の望遠鏡に搭載された多色撮像装置MuSCAT（マスカット）シリーズ（注3）、およびハワイの口径8.2mすばる望遠鏡に搭載された赤外ドップラー観測装置IRD（注4）などを用いて、TESSの探索で発見される惑星候補天体の検証観測を精力的に進めています。

研究の成果：

　今回、研究チームは、検証観測を行なった惑星候補の中から太陽系の比較的近傍（138光年先）の恒星を公転する惑星「TOI-2285b」を発見しました。TOI-2285bは半径が地球の約1.7倍と比較的小さく、低温度（摂氏3200度）の恒星のまわりを周期約27日で公転しています。

　TESSで発見された惑星候補天体が本物の惑星かどうかを検証するためには、複数の波長でトランジットを観測することがとても重要です。しかし、TOI-2285bのトランジットは27日に1回しか起こらないため、地上から好条件（夜間かつ快晴）で観測できる機会はとても限られていました。研究チームは、複数の波長で同時にトランジットを観測できるMuSCATシリーズを3台開発し、国内外の3台の望遠鏡に配置していたため、世界に先駆けてTOI-2285bが惑星であることを確認することができました。さらに、世界でも有数の惑星質量の精密測定が可能な赤外ドップラー観測装置IRDを用いることで、惑星の質量の上限値（地球質量の19倍）を得ることにも成功しました。

　TOI-2285bと主星の距離は、地球と太陽の距離の約1/7ほどしかありませんが、主星が低温度のため、惑星が主星から受ける日射量は、地球が太陽から受ける日射量の約1.5倍と見積もられます。この日射量は、これまでに発見された他の多くの系外惑星と比べると穏やかですが、それでも、もし惑星が地球と同じように薄い大気しかもたない岩石惑星であった場合、惑星表面の水がすぐに干上がってしまう程度に強力です。一方、もし惑星の中心核の外側にH₂Oの層が存在していて、かつその外側を水素を主体とする大気が覆っていた場合（注5）、H₂O層の一部が液体として安定的に存在する可能性があります。今回、研究チームはそのような内部組成を仮定してTOI-2285bの内部の温度と圧力のシミュレーションを行ったところ、確かに惑星の表層に液体の水（海）が存在する可能性があることが分かりました（トップ画像）。

今後の展望：

　今後、実際にTOI-2285bの表層に液体の水が存在するかどうかを調べるためには、まずは惑星の質量を正確に測定し、既に判明している惑星の半径や日射量の情報と合わせて惑星の内部組成を制約することが重要となります。惑星の質量を測定するためには主星が十分に明るい必要がありますが、TOI-2285bは太陽系近傍の恒星を公転しており、赤外線で明るく見えるため、IRDのような大型望遠鏡に取り付けられた赤外ドップラー観測装置を用いることで、実際に質量の測定が可能です。今回の研究では、惑星の質量についてまだ上限値しか得られていませんが、今後のさらなる観測により、惑星の正確な質量を測定し、惑星の内部組成により迫ることができると期待されます。また、2021年12月に打ち上げが迫ったジェームズウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）などの次世代望遠鏡により、惑星の大気組成を調べることで、大気中に水などの分子が存在するかどうかを明らかにできると期待されます。

　TOI-2285bの発見は、将来の系外惑星における「生命の痕跡探し」への重要な一歩とも言えます。今後、次世代の大型宇宙望遠鏡や地上の巨大望遠鏡により、温暖な系外惑星の大気中に水や酸素などの生命の痕跡となる分子を探る研究が可能になると期待されています。一方、生命の痕跡の確かな証拠を得るためには、1つや2つの惑星の観測だけでは不十分であり、なるべく多くの惑星を観測することが重要と考えられています。しかし、現時点ではまだ観測対象として有望な惑星（太陽系近傍で、小型かつ温暖な惑星）の数はごく限られています（図1）。TOI-2285bは、仮に惑星表層に液体の水が存在したとしても、その環境（地殻の有無、大気組成、気候など）は地球とは大きく異なると考えられますが、それでも現時点では生命の痕跡を探す対象として有望な惑星の候補の1つと言えます。TESSは少なくとも2022年まで探索を継続する予定のため、今回と同様に地上望遠鏡との連携を行うことで、TOI-2285bと同等、もしくはより有望な惑星の数を今後さらに増やすことができると期待されます。

本研究成果は、2021年12月6日に日本の学術誌「Publications of the Astronomical Society of Japan」のオンライン版に掲載されました。本研究は、科研費 新学術領域計画研究「惑星大気の形成・進化とその多様性の解明」（研究代表者：生駒 大洋、課題番号：JP18H05439）、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業 さきがけ 研究領域「計測技術と高度情報処理の融合によるインテリジェント計測・解析手法の開発と応用」における研究課題「多色同時撮像観測と高精度解析による第二の地球たちの探査」（研究者：成田 憲保、課題番号：JPMJPR1775）、科研費 基盤研究B「太陽系近傍の小型トランジット系外惑星の発見と大気の系統的調査」（研究代表者：福井 暁彦、課題番号：JP17H04574）、大学共同利用機関法人自然科学研究機構アストロバイオロジーセンターのプロジェクト「TESSで発見された生命居住可能惑星候補の発見確認と特徴付け」（研究代表者：成田 憲保、課題番号：AB031010）の支援を受けています。

発表雑誌：

雑誌名：Publications of the Astronomical Society of Japan（オンライン版：12月6日）
論文タイトル：TOI-2285b: A 1.7 Earth-radius Planet Near the Habitable Zone around a Nearby M Dwarf
著者：Fukui, A.*, Kimura, T., Hirano, T., Narita, N., et al.
DOI番号：10.1093/pasj/psab106

用語解説：

（注1）正式名称はTransiting Exoplanet Survey Satellite。2018年に打ち上げられ、トランジット法（注2）を用いて全天の明るい恒星をまわる惑星の探索を行なっています。今のところ2022年まで探索が継続される予定です。

（注2）惑星が主星の手前を通過（トランジット）する際に観測される、主星の周期的な減光を捉える手法。同手法では、惑星の半径や公転周期を求めることが可能です。

（注3）岡山県の188cm望遠鏡、スペイン・テネリフェ島の口径1.52mの望遠鏡、およびアメリカ合衆国・マウイ島の口径2mの望遠鏡に設置された、可視光域の3もしくは4つの波長帯で同時にトランジットの観測ができる装置（装置の名称はそれぞれMuSCAT, MuSCAT2, およびMuSCAT3）。本研究では、MuSCAT2およびMuSCAT3を用いて、TESSで観測されたトランジットのシグナルを確認しました。

（注4）ドップラー法という手法を用いて高精度に惑星の質量を測ることのできる、赤外線の分光装置。本研究では、質量の上限値を得ることで、トランジットをしている天体が恒星ではなく、惑星である（質量が木星の13倍以下である）ことを確認しました。

（注5）惑星内部におけるH₂O層の存在は惑星の形成理論から予測されています。一方、水素を主体とする大気については、少なくとも惑星が形成された初期には存在していた可能性が高いと考えられますが、その後、主星から放射される高エネルギーの電磁波（X線や紫外線）によって剥ぎ取られてしまっている可能性もあります。

関連リンク：

・東京大学リリース

・科学技術振興機構リリース

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ハワイ大学、アストロバイオロジーセンターの研究者を中心とした研究チームは、すばる望遠鏡等を用いた観測により、若いＭ型矮星に付随する、年齢 200 〜 500 万年ほどの惑星「2M0437b」を発見しました。2M0437b はこれまで見つかった太陽系外惑星の中で最も若い惑星で、年齢が約 46 億年の地球と比べると、生まれたての赤ちゃんのような惑星です。観測から2M0437b の質量は木星の３～５倍と見積もられ、このような「スーパージュピター」が小質量星のまわりでどのように形成されるのかを解明する上で貴重な研究対象となっています。

太陽系外惑星 (系外惑星) のほとんどは、主星 (恒星) の観測から間接的に惑星の存在を検出する「間接法」によって見つかっています。これは、惑星が非常に暗いため、近くにある明るい主星の光と分離して直接観測することが難しいからです。今回発見された惑星の主星「2M0437」は、地球から約 420 光年離れたおうし座星形成領域にある、生まればかりの恒星で、付随する惑星も同年齢と見なされます。一般に、若い惑星は形成時の熱を帯びているので近赤外線で明るく輝きます。研究チームは、すばる望遠鏡の近赤外線分光撮像装置 IRCS と補償光学装置 AO188 を用いた観測を2018年に実施し、2M0437 から 0.9 秒角離れた位置にある 2M0437b を直接撮像で発見しました (図１)。

2M0437b が背景の星ではなく、確かに 2M0437 を周回する惑星であることを確かめるための追観測には、すばる望遠鏡のほか、同じマウナケアにあるケック望遠鏡などが使用されました。約３年にわたる観測で天体の動きを精密に追う事により、二つの天体が互いの重力で結ばれた惑星系であることが確認されました。

IRCS などで観測された明るさから、2M0437b の質量は木星質量の３〜５倍程度と見積もられています。これは直接撮像観測で見つかった系外惑星の中でも最も軽い部類で、すばる望遠鏡と補償光学の威力が遺憾なく発揮されたと言えるでしょう。また、この惑星系の年齢は 200〜500 万年と推定されており、確実に惑星と呼べる、10 木星質量以下の天体の中では最も若い惑星が発見されたことになります (注１)。

従来の惑星形成理論では、M型矮星のような質量の小さな星の場合、2M0437bのような巨大惑星が数百万年という短期間で、主星からある程度離れた位置（今回は約100天文単位）に形成されるのは難しいと考えられています。2M0437b は巨大惑星がどこでどのように形成されるのかを解明する上で極めて貴重な観測対象であり、惑星形成の研究に重要な示唆を与える存在になるでしょう。

研究の主導者の一人である平野照幸助教 (自然科学研究機構アストロバイオロジーセンター/国立天文台ハワイ観測所) は、「惑星からの光を直接捉えることで系外惑星が発見された例はあまり多くなく、年齢が 1000 万年を下回る惑星にいたっては数例しか見つかっていません。今回発見された惑星はその中でも特に若く、非常にユニークな惑星系です。今後、すばる望遠鏡に加えて、ジェイムズウェッブ宇宙望遠鏡 (2021年末に打ち上げ予定の赤外線望遠鏡) などによるさらなる観測で惑星の大気などを調べ、生まれたての惑星がどのような性質を持っているのか明らかにしたいと考えています」と展望を語っています。

本研究は、英国天文学専門誌『王立天文学会月報』に10月26日付で掲載されました (Gaidos et al. “Zodiacal Exoplanets in Time (ZEIT) XII: A Directly-Imaged Planetary-Mass Companion to a Young Taurus M Dwarf Star“)。

(注１) 「惑星」と「褐色矮星」の境界領域にあたる、10 木星質量を上回る天体まで含めると、2M0437b と同程度かそれよりもわずかに年齢の若い天体はこれまでにも報告されています。

すばる望遠鏡について：
すばる望遠鏡は自然科学研究機構国立天文台が運用する大型光学赤外線望遠鏡で、文部科学省・大規模学術フロンティア促進事業の支援を受けています。すばる望遠鏡が設置されているマウナケアは、貴重な自然環境であるとともにハワイの文化・歴史において大切な場所であり、私たちはマウナケアから宇宙を探究する機会を得られていることに深く感謝します。

（関連リンク）

国立天文台すばる望遠鏡　2021年10月23日(JST) プレスリリース

ハワイ大学（英語)2021年10月22日(HST) プレスリリース

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アストロバイオロジーセンターと東京大学の研究者を中心とする研究チームは、すばる望遠鏡の近赤外分光器IRD等を用いた観測により、公転周期が1日未満の「超短周期惑星」を低温の恒星のまわりで発見し、その内部組成が主に鉄と岩石からなることを明らかにしました。２つの低温度星のまわりで発見された惑星（TOI-1634bとTOI-1685b）はいずれも地球の約1.5-2倍のサイズのスーパーアース(注1)に相当し、特に、TOI-1634bはこれまで見つかっている超短周期惑星の中でも最大の半径（1.8地球半径）と質量（10地球質量）を持つ地球型惑星の一つです。この大きさの惑星は岩石惑星とガス惑星の境界にあり、特に低温度星のまわりでの発見数が少ないため、「1年」が地球の1日の長さに満たない惑星がどのように形成されたかを調査する上で最も貴重な天体が発見されたといえます。

太陽系外惑星（系外惑星）のうちの1パーセント程度は、公転周期が1日未満の惑星（超短周期惑星）であることが、観測から明らかにされてきています。超短周期惑星は、外側の軌道で形成されたものが、他の惑星との相互作用などによって、内側の軌道へ移動したのではないかと考えられており、多様な惑星形成を理解する上で、希少かつ重要な天体です。

これまでに観測された超短周期惑星のほとんどは半径が地球の1.5倍以下の小型惑星で、内部組成は主に鉄と岩石でできた地球と似た惑星であることが知られています。ただし、このように精査された超短周期惑星の殆どは、太陽に似た恒星（太陽型星）のまわりでのみ知られており、低温度・小質量の恒星のまわりでの観測例はわずかです。低温度星は、小型の惑星を複数個持つ頻度が高いことが知られているため、超短周期惑星が存在する頻度も高いかもしれません。低温度星のまわりの超短周期惑星の頻度や特徴を詳しく調べることで、超短周期惑星の起源について全般的な理解が進むことが期待されます。

研究チームは、アメリカ航空宇宙局（NASA）のトランジット系外惑星探査衛星「TESS」で検出されたトランジット惑星候補（注2）を持つ２つの低温度星TOI-1634とTOI-1685に注目しました。これらの星の質量は太陽の５割程度しかありません。TESSのデータの独自解析と多色同時撮像カメラMuSCATシリーズ等（注3）によるトランジットの追観測を実施した上で、すばる望遠鏡の赤外線分光器IRD (InfraRed Doppler、赤外線ドップラー装置) による分光観測を実施しました。IRDは恒星の視線方向の速度（視線速度）を精密に測定する分光器で、可視光よりも赤外線で明るく見える低温度星の観測に最適化されたユニークな観測装置です。

IRDで観測された視線速度を研究チームが詳しく解析した結果、TOI-1634とTOI-1685のまわりを、実際に超短周期惑星がそれぞれ 0.989日(TOI-1634b)と0.669日(TOI-1685b)の周期で公転していることが確認されました。さらに視線速度変化の振幅から、TOI-1634bとTOI-1685bが、それぞれ地球の約10倍と約3.4倍の質量を持つことが明らかになりました（注4）。この惑星質量と、トランジット観測から求められた惑星半径（TOI-1634bが約1.8地球半径、TOI-1685bが約1.5地球半径）をもとに惑星の組成を理論的に推定したところ、どちらの惑星も地球と同様に主に鉄と岩石を中心とした内部組成を持つことが分かりました（図1）。低温度・小質量の恒星のすぐそばを地球に似た組成を持つスーパーアースが公転する惑星系が２つ発見されたことになります。

TOI-1634bはこのように地球と似た内部組成を持つことが確認された超短周期惑星の中でも半径・質量が最大の惑星の一つで、このような惑星が太陽よりずっと軽い星のまわりで見つかったのは非常に興味深いことです。「質量-半径」の関係（図１）からは、両惑星に厚い水素の大気がないこともわかりました。原始惑星系円盤のガスからなる原始大気が残されていない両惑星では、惑星で放出されたガスからなる２次大気が形成されているかもしれません。恒星のすぐ近くを回る地球型惑星の大気がどのように進化するか研究する上でも、興味深い観測対象といえるでしょう。

いずれの惑星系も地球から100光年程度の比較的近傍に存在し、超短周期惑星を持つ低温度星の中でも特に明るいことから、次世代の望遠鏡の有力な観測候補になります。論文の筆頭著者である平野照幸助教 (自然科学研究機構アストロバイオロジーセンター/国立天文台ハワイ観測所) は「今後、本研究で見つかった惑星系をジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）などで観測し、惑星大気や詳細な軌道等を調査することで、未だ謎の多い超短周期惑星の起源の解明に近づくことが期待されます。また、TESSで同定された惑星候補天体をIRDで集中的に追観測するプロジェクトは現在も進行中で、1、2年の間に、多くのユニークな惑星がIRDで確認されるはずです」と研究の展望を語っています。

本研究成果は、米国の天文学誌『アストロノミカル・ジャーナル』（2021年9月23日付）に掲載されました（Hirano et al. “Two Bright M Dwarfs Hosting Ultra-Short-Period Super-Earths with Earth-like Compositions”）。

（注1）「スーパーアース」とは、地球よりも大きな惑星で、質量は地球のおよそ10倍以下、直径は地球のおよそ２倍以下の系外惑星を指します。太陽系にはこのような重さ・大きさの惑星は存在しないため、系外惑星の観測によって初めてこのような惑星が存在することがわかりました。

（注２）「トランジット」とは、恒星の前を惑星が通過するために、恒星が周期的に暗くみえる現象で、トランジットが観測される系外惑星系をトランジット惑星系と呼びます。TESSを始めとするトランジット探査では、大規模な測光モニター観測によりトランジットのような減光が数多く検出されますが、その中には「食連星」等による偽検出が含まれます。TESSで検出された「トランジット惑星候補」に対して、他の望遠鏡を用いた追観測を実施することで初めて本物のトランジット惑星であることが確認されます。

（注３） 岡山県にある 188cm 望遠鏡、スペイン・テネリフェ島のテイデ観測所にある 1.52m 望遠鏡、アメリカ・マウイ島のハレアカラ観測所にある ２m 望遠鏡に搭載された多色同時撮像カメラ、MuSCAT、MuSCAT2、MuSCAT3を用いて、トランジットの追観測が行われました。いずれの惑星についても、この追観測によりTESSで暫定的に求まっていた公転周期や惑星半径などのパラメータが精度良く決定されました。

（注４）恒星のまわりに惑星があると、惑星の重力の影響で恒星がわずかにふらつきます。このふらつきを、恒星の視線速度の周期的な変化として捉えるのが視線速度法で、惑星の質量が大きいほど、視線速度変化の振幅は大きくなります。見つかった２つの惑星の質量は、IRDによる追観測によって決定されました。

すばる望遠鏡について：

すばる望遠鏡は自然科学研究機構国立天文台が運用する大型光学赤外線望遠鏡で、文部科学省・大規模学術フロンティア促進事業の支援を受けています。すばる望遠鏡が設置されているマウナケアは、貴重な自然環境であるとともにハワイの文化・歴史において大切な場所であり、私たちはマウナケアから宇宙を探究する機会を得られていることに深く感謝します。

論文情報：

論文誌：Astronomical Journal

論文タイトル：Two Bright M Dwarfs Hosting Ultra-Short-Period Super-Earths with Earth-like Compositions

著者：平野照幸、成田憲保、ほか

(関連リンク)

「1年」の長さが1日に満たない地球型惑星を低温度星のまわりで発見(国立天文台ハワイ観測所 2021年9月27日 プレスリリース)

「1年」の長さが1日に満たない地球型惑星を低温度星のまわりで発見（東京大学 2021年9月27日 プレスリリース）

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太陽光は全ての生命にとって重要なエネルギー源です。植物は光合成反応を利用して太陽光のエネルギーを獲得しますが、その際の光の利用効率は常に最適化されています。最適化のしくみの一つで、２つの光化学系（光化学系Iと光化学系II）をバランスよく駆動するしくみが「ステート遷移」です。今回、光化学系Iとこれに光エネルギーを与える集光装置LHCI、さらに光化学系IIから渡されたLHCIIの三者が結合した光化学系Iステート遷移超複合体（PSI-LHCI-LHCII超複合体）を緑藻の細胞から取り出して、その立体構造をクライオ電子顕微鏡にて決定しました。これにより、２つの巨大光化学系複合体の間で集光アンテナLHCIIをやり取りするステート遷移の詳細が解明されました。本研究は自然科学研究機構 基礎生物学研究所の得津隆太郎助教（現所属京都大学理学研究科）、皆川純教授、生理学研究所の村田和義特任教授、アストロバイオロジーセンターの滝澤謙二特任准教授、高知大学理工学部の山﨑朋人助教、中国科学院のMei Li博士らによる国際共同研究チームによる成果です。研究成果はNature Plants（英国時間2021年7月8日付）に掲載されました。

リリース詳細：基礎生物学研究所プレスリリース

【掲載誌情報】

タイトル: Structural basis of LhcbM5-mediated state transitions in green algae

著者: Xiaowei Pan, Ryutaro Tokutsu, Anjie Li, Kenji Takizawa, Chihong Song, Kazuyoshi Murata, Tomohito Yamasaki, Zhenfeng Liu, Jun Minagawa, Mei Li

Nature Plants

https://www.nature.com/articles/s41477-021-00960-8

DOI:10.1038/s41477-021-00960-8

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概要

アストロバイオロジーセンターの堀　安範 特任助教の研究によって、太陽系外の短周期ガス惑星は地球や木星よりも強力な数10-数100G(ガウス)の磁場を持ち、磁場生成とその強さは中心核（コア）の存在と密接に関係していることが明らかになりました。近い将来、ガス惑星からの電波放射を検出することで、惑星磁場の情報を介して、謎に包まれた太陽系外のガス惑星の内部を探れる可能性を示唆しています。本研究成果は、2021年 2月16日発行の米国の科学雑誌アストロフィジカル・ジャーナルに掲載されました。

研究背景

惑星内部の導電性流体の運動で生じる電流を介して、惑星磁場は生成・維持されると考えられています。これはダイナモ理論と呼ばれ、太陽系では水星、地球、木星、土星、天王星そして海王星（木星の第3衛星であるガニメデにも固有磁場の存在が示唆されています）がダイナモ駆動の固有磁場を有しています^*1。地球内部では外核の鉄・ニッケル合金、ガス惑星では金属水素^*2層、氷惑星ではイオン水^*3領域が磁場生成の役割を担っています。このように、惑星磁場の有無や強さは惑星内部の熱的および物理状態と密接に関連しています。
太陽系外惑星の磁場検出に向けた観測的試みもなされています。2020年、電波望遠鏡 LOFAR^*4を用いた、うしかい座タウ星の円偏光観測によって、短周期ガス惑星 (うしかい座タウ星b)^*5からの電波放射の兆候をとらえたという報告がなされました (Turner et al. 2020)。また、短周期ガス惑星（ホット・ジュピター）を持つ4つの恒星 (HD 179949, HD 189733,うしかい座タウ星, アンドロメダ座ウプシロン星) の表面活動の時間変動がホットジュピターの公転運動と同期していたことから、太陽系外のガス惑星の磁場の存在を間接的検出に成功したとされています (Cauley et al. 2019)。これらの観測から、短周期ガス惑星は木星よりも強力な 数10G  から数100 G (ガウス) 程度の磁場を持つ可能性が示唆されています。
探査機で直接、その場計測を実施できない太陽系外惑星では、地上および宇宙望遠鏡の観測で得られる情報（質量、半径、上層大気の組成、大気流失の様子）は限定的です。しかし、強力な固有磁場を有する可能性が高い、短周期ガス惑星からの電波放射^*6は、将来の電波望遠鏡 (例. SKA：Square Kilometre Array)による検出が期待されています。そのため、今後はより多くの太陽系外惑星の磁場の情報が得られると予想されています。

研究成果

本研究では、太陽系外惑星からの電波検出を見据えて、惑星磁場の情報から、謎に包まれる太陽系外惑星の内部を探る手法を検討しました。今回、中心星近傍に存在する短周期ガス惑星に注目しました。短周期ガス惑星の形成後から100億年間にわたる熱史のなかで、惑星内部の磁場生成と磁場強度の変化について調べました。その結果、木星の約50%以上の質量を持つ短周期ガス惑星（ホット・ジュピター：hot Jupiter）では、惑星磁場の発生と強度は惑星の内部構造（例えば、中心核の大きさ）にあまり影響受けず、数10-数100G以上の強力な磁場を保有する可能性が高いことがわかりました（図1を参照）。期待される惑星の磁場強度の観点から、こうした短周期ガス惑星が将来の電波放射観測の有力な候補天体になります。
一方、土星質量(木星質量の約30%)以下の短周期ガス惑星（ホット・サターン：hot Saturn）では、中心核（コア）が小さすぎると、誕生から数1000万年 (最大で数億年) にかけて、磁場が生成されないことがわかりました（図1の右図）。すなわち、土星質量以下の短周期ガス惑星の磁場の有無は惑星内部のコアの存在の手がかりとなります。しかし、弱い磁場強度の関係上、ホット・サターンからの電波放射は地球の電離圏に存在するプラズマによって遮蔽される可能性が高く、地上からの電波観測による検出は困難かもしれません。
以上から、観測的に示唆される通り、ホット・ジュピターでは太陽系の地球や木星と比べて、強い磁場を長時間維持されている可能性が高いことがわかりました。強力な固有磁場を保有すると理論的に予想される太陽系外の短周期ガス惑星では、中心星からの激しい高エネルギー粒子 (主に、恒星風やコロナ質量放出に伴う電子)の照射 にも晒されることから、地球や木星、土星で観測されているよりも遥かに激しいオーロラ現象が生じているかもしれません。

脚注

*1  木星の磁場は 約7.766 G(ガウス)、地球の最大表面磁場 (南極域)は約 0.66G
*2 木星や土星のような水素・ヘリウム主体のガス惑星内部では、温度 2000K, 圧力100GPa以上の超高圧かつ高温環境下で圧力電離した水素が金属的性質を示す。
*3  通常、水蒸気や氷、液体の水の3つ状態のH₂Oは、圧力・温度によって、高圧氷、超臨界水、超イオン水、イオン水、プラズマ状態とさまざまな相に状態変化する。
*4   LOFAR (LOw Frequency ARray)はオランダ電波天文学研究所によって運営される電波望遠鏡
*5   連星系のうしかい座タウ星のひとつ (うしかい座タウ星A)に、約3日の公転周期、約6倍の木星質量を持つ短周期ガス惑星が発見された。
*6  惑星からの主な電波放射機構には、シンクロトロン放射とサイクロトロン放射の2つが挙げられる。前者は惑星磁場中の電子の加速度運動で生じる非熱的な電波放射。後者はオーロラ電波放射とも呼ばれ、惑星の磁場に沿って運動する電子からの電波放射 (= 電子サイクロトロン不安定) で、電子の進行方向に集中する性質がある。将来の電波望遠鏡では、後者のオーロラ電波放射の検出が期待されている。

論文情報

掲載誌：The Astrophysical Journal
論文タイトル：The Linkage between the Core Mass and the Magnetic Field of an Extrasolar Giant Planet from Future Radio Observations
DOI：https://doi.org/10.3847/1538-4357/abd8d1
著者: 堀  安範  (アストロバイオロジーセンター／国立天文台)

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自然科学研究機構アストロバイオロジーセンターの研究者を中心とする国際チームは、系外惑星WASP-33bの昼側の大気中に、ヒドロキシラジカル(OH)分子を発見しました。この系外惑星は、「ウルトラホットジュピター」と呼ばれる巨大ガス惑星で、太陽系でいえば水星の軌道よりはるかに内側の軌道で恒星（主星とも呼びます）の周りを公転しています（図１）。そのため、この惑星の大気温度は摂氏2500度以上にもおよび、ほとんどの金属を溶かすことができるほどの高温になります。この論文の筆頭著者であるアストロバイオロジーセンターのヌグロホ博士は、「太陽系以外の惑星において世界で初めてOHを検出しました。この発見は、系外惑星大気の分子を検出したというだけでなく、惑星大気の化学的な性質を詳細に理解することができるようになったことを示しています」と語ります。

地球の大気では、OHは主に水蒸気と酸素原子との反応で生じます。これは、「大気の洗剤」とも呼ばれ、メタンや一酸化炭素などの生命に対して有害となりうる物質を大気から取り除く重要な役割を果たしています。地球よりさらに熱く、大きな系外惑星であるWASP-33bでは、これまで鉄や酸化チタンのガスは検出されていましたが、今回初めて発見されたOHはこの惑星大気の中で水蒸気と一酸化炭素との相互作用を通し、大気組成を決める上で重要な役割を果たしています。WASP-33bにおけるOHのほとんどは、惑星大気の高い温度により水蒸気が壊されることで生じると考えられています。「我々のデータでは、水蒸気は少ないと考えられるため、惑星大気が極端に高温な状態で水が解離するという考えをサポートしています」とクイーン大学のエルンスト博士は話しています。

この発見は、標高4200mのハワイ・マウナケア山頂域にあるすばる望遠鏡に新しく搭載されたIRDという近赤外線の高分散分光器を用いることで達成されました。この装置は、恒星や惑星に存在する原子や分子をスペクトルの中に吸収線として検出することができます。系外惑星が主星を公転するとき、地球に対して系外惑星の速度は時間に応じて変化します。これは、救急車などが私たちのそばを通り過ぎるときにサイレンの音程が変化する「ドップラー効果」と同じ原理で、音程ではなく、色がわずかに変化します。これにより、スペクトル中に含まれる原子・分子の特徴が主星によるものか、惑星によるものかを区別することができます。惑星からの光は非常に弱いため、通常の観測では主星と惑星の光は直接に分離することができませんが、この特別な方法によって初めてウルトラホットジュピターからのOH分子に起因する信号を分離することができました。

今回、すばる望遠鏡が誇るIRD独自の機能を活用することにより、系外惑星大気中のわずかなヒドロキシ分子を検出することができました。「IRDは、系外惑星の大気を赤外線で調べるために最適の装置です」と語るのは、IRD開発責任者のひとりであるアストロバイオロジーセンター長の田村教授です。「現代天文学の目標のひとつは、『地球のような』惑星を探すことです。発見される新しい大気成分は、系外惑星の理解と大気研究のための技術を深め、この目標へと導いてくれます」とトリニティ大学のギブソン助教は言います。「今回は極端に熱い惑星が対象でしたが、更なる開発を進めることで、より冷たい惑星、最終的には第二の地球の大気を調査できるようにしたい」と、東京大学の河原助教は言います。

クイーン大学のワトソン教授は以下のように語っています。「これらの観測は小さな岩石惑星に生命の兆候を探すTMT(30メートル望遠鏡)やELT(欧州超大型望遠鏡)といった次世代超大型望遠鏡で観測するためのテストベッドになります。そして、この手法を発展させることで、『我々は宇宙で孤独な存在なのか』という最も古い問いに対するヒントを得られるかもしれません。」

この結果は、発見的成果の掲載で定評のあるアストロフィジカルジャーナル・レター（2021年3月23日号）に出版されました。

論文情報：

Nugroho et al. 2021, “First Detection of Hydroxyl Radical Emission from an Exoplanet Atmosphere: High-dispersion Characterization of WASP-33b Using Subaru/IRD”, Astrophysical Journal Letters

https://arxiv.org/abs/2103.03094

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概要

アストロバイオロジーセンター/国立天文台/東京工業大学の研究者を含む国際研究チームは、２つの惑星と伴星を持つ太陽系外惑星K2-290をすばる望遠鏡などで観測し、惑星がK2-290の自転方向と逆向きに公転していることを明らかにしました。

太陽系外の惑星系では，太陽系とは異なり，惑星の公転方向（または公転軸）が中心星の自転方向（自転軸）と大きくずれている系が多く存在することが観測的に知られていました。このような惑星の軌道と恒星の自転方向のずれを引き起こす原因として，惑星同士の重力散乱や近くの恒星の重力の影響など様々なメカニズムが提案されていましたが，これまではっきりしたことは分かっていませんでした。

今回観測されたK2-290は，軌道面がそろった２つの系外惑星を持つ恒星ですが，すばる望遠鏡を含む観測によってその２つの惑星の公転方向は中心星の自転方向と逆行していることが明らかになりました。一方，K2-290は以前すばる望遠鏡の高解像度撮像観測によって，伴星（惑星系の外側の質量の小さな恒星）がまわっていることが確認されていました。これらの事実を踏まえて数値計算を行ったところ， 惑星が形成された原始惑星系円盤が伴星の重力によって傾き，最終的に反転して逆行惑星が形成された可能性が高いことが判明しました。このように惑星が形成される時期に伴星によって円盤面が大きく変化したという証拠が確認されたのは今回が初めてのことです。

詳細はこちら：

すばる望遠鏡　プレスリリース

オーフス大学　プレスリリース

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