元アストロバイオロジーセンター研究員の光合成に関する研究テーマが、スマート農業の新技術へと進展しました！

論文主著者の上妻氏がABCに在籍していた当時も実施していた研究の成果です！

小型センサで植物を見守るスマート農業の新技術を開発

〜クラウド連携でいつでも、どこでも健康状態のモニタリングが可能に〜

【発表のポイント】

• 植物の葉の裏面に取り付けて、葉の色の変化、クロロフィル^（注1）量、ストレス応答を検出する小型センサを開発しました。
• 開発したセンサは、耐水性でバッテリー駆動による長期連続測定が可能な上、測定データをクラウド経由でいつでも、どこからでも確認可能です。
• 比較的低コストで実現できるため、センサを多数設置することで、植物の健康状態の広範囲あるいは高密度でのモニタリングが可能になります。

【概要】

気候変動や人口増加の影響により、農業では効率的な資源管理と生産性向上が急務となっています。こうした背景から、スマート農業が注目されており、特に遠隔で植物の状態を把握できる技術が求められています。

東北大学大学院工学研究科の宮本浩一郎准教授、大学院生命科学研究科の上妻馨梨助教（現：京都大学大学院農学研究科）は、植物の健康状態を遠隔からスマートフォンなどの端末で確認できる新しい小型センサを考案・開発しました。このセンサは植物の葉の裏側に取り付けることで、太陽光を遮ることなく、葉の生理応答を正確に測定することが可能です。測定データはオンラインストレージで共有され、遠隔かつリアルタイムにモニタリングが可能です。また、葉色やクロロフィル含量、環境ストレスの検出も可能で、長期連続および多点同時測定システムの実現への道を拓きます。この小型センサはわずか数千円で作製可能で、農業分野などへの活用が期待されます。

本成果は、2024年9月24日にバイオセンシングに関する専門誌Sensing and Bio-Sensing Researchに掲載されました。

詳細は東北大学のプレスリリースをご参照ください。

【論文情報】

掲載誌：Sensing and Bio-Sensing Research 46(2024),100688.

タイトル：Analysis of plant physiological responses based on leaf color changes through the development and application of a wireless plant sensor

著者：Kaori Kohzuma, Ko-ichiro Miyamoto

責任著者1：東北大学大学院生命科学研究科　助教　上妻馨梨

（現所属：京都大学大学院農学研究科、旧所属：東京大学理学系研究科、自然科学研究機構アストロバイオロジーセンター）

責任著者2：東北大学大学院工学研究科　准教授　宮本浩一郎

DOI：10.1016/j.sbsr.2024.100688

URL：https://doi.org/10.1016/j.sbsr.2024.100688

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東京大学の大学院生Sayyed Ali Rafi（セイエド・アリ・ラフィ）^[1]が率いる研究チームは、ホットサターンであるHD 149026 bの大気中に水蒸気（H₂O）が存在する証拠を発見した(図1)。この太陽系外惑星（以下、系外惑星）は、地球から約250光年離れたヘルクレス座に位置し、土星と同じような大きさの高温ガス惑星であるため、ホットサターンと分類されている。金属が豊富な恒星HD 149026の周りを回っており、その距離は水星が太陽を回る軌道の1/10で、この惑星の1年はわずか2.9日しかない！この近さによって、高温のガス惑星の温度は1500ケルビン^[2]以上に上昇する。実際、HD 149026 bの平衡温度は約1700ケルビンで、最強の鋼鉄でさえ溶かす高温惑星である。

本研究の成果は、東京大学の大学院生Sayyed Ali Rafiが主著者となり、米国の天文学誌『アストロノミカル・ジャーナル』（2024年8月5日）に掲載されます。

惑星の大気を検出するために、研究チームは透過光分光法と呼ばれる技術を使用した。地球上の観測者に対して惑星が恒星の前を通過するとき、恒星の光の一部が惑星の大気を通過する。この星の光は惑星大気中の様々なガスに吸収され、恒星のスペクトルに刷り込まれた惑星の吸収スペクトルを作り出す。恒星のスペクトルから惑星のスペクトルを分離することで、惑星の大気の特徴を特定することができる。

系外惑星大気の観測における大きな課題は、明るい恒星と暗い惑星のコントラストが非常に大きいことである。このため、惑星の大気を検出するのは難しく、しばしば恒星の光子ノイズに埋もれてしまう。惑星大気のシグナルの強さは、惑星の温度が高い（その結果、大気がより広がり、検出しやすくなる）か、恒星までの距離が近い（恒星と惑星のスペクトルを分離しやすくなる）か、あるいはその両方の組み合わせで観測された場合に、より強くなる。高温の惑星はこの両方の性質を持つため、透過光分光観測の理想的なターゲットとなるが、その大気を検出するのはまだ難しい。

この困難を克服するために、最も有効な手法が相互相関法である。「相互相関を利用して、高分解能分光で個別に分解される数百から数千の弱いスペクトル吸収線の情報を組み合わせることによって、系外惑星のシグナルを高めることができる。これは、これまで太陽系外惑星の大気を特徴付けるために使用された最も成功した方法の1つで、異星世界の大気のピークをとらえることができる。」と、共著者であるアストロバイオロジーセンターのステバヌス・ヌグロホ博士は説明する。

この手法を用いて、研究チームはスペインのカラー・アルト天文台に設置された分光器CARMENES（カルメネス）の高分解能の透過光分光アーカイブデータを解析した。「我々は、分光器の近赤外線波長域（0.97〜1.7μm）のデータに注目し、この波長域に強い吸収を持つH₂OとHCN（シアン化水素）を探した。その結果、惑星大気中のH₂Oの証拠を約4.8の信号対雑音比（S/N）で発見しました（図2）」と論文主著者のセイアド・ラフィ氏が言う。興味深いことに、昨年にジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）も同じ惑星でH₂Oを検出した。これは、惑星の昼側を観測したことに対応しているが、今回の結果は惑星の夜側に相当している。これらの相互に補完的な発見は、惑星大気中の水蒸気の存在を裏付けるものであり、同時に惑星大気の異なる領域に水が存在することを示している。しかし、本研究チームは、この発見のS/N比は高くないため、今後のフォローアップ観測によって確認される必要があると考えている。HCNについては検出されなかったが、これはデータのS/N比が分子を検出するのに十分でなかったためと考えられる。

では、なぜH₂OとHCNを探すのか？　HD 149026 bのような高温ガス惑星の大気では、炭素と酸素の比（C/O）が1より小さい場合（酸素が炭素より豊富であることを示す）、H₂Oと一酸化炭素（CO）が最も豊富な酸素と炭素を含む種である。C/O比が1より大きい場合、H₂Oはより少なくなる一方、HCNがより多くなり、COと並んで、その存在量は比較的一定に保たれる。これらのガスの存在量を発見し決定することで、大気のC/O比を測定することができる。「高温の土星のような太陽系外惑星で水蒸気が検出されたことは、その大気ダイナミクスと軌道特性に関する新たな手がかりを提供し、惑星形成の理解に一歩近づいた」と、共著者のアンダルシア宇宙科学研究所のアレハンドロ・サンチェス＝ロペス博士は説明する。

HD 149026 bの大気を研究することは、この系外惑星のユニークな特徴から特に重要である。この惑星は、地球質量の約110倍もの異常に大きなコアを持ち^[3]、重力不安定性やコア降着といった既存の惑星形成モデルでは説明できない。これらのモデルは通常、ガス惑星ではもっと小さなコアを予測するため、この大きさのコアを形成することは、異常な条件や形成過程を示唆している。いくつかの理論的なシナリオが提唱されており、この惑星の大気観測を続ければ、これらの理論のいずれかを支持する、あるいは新たな理論を示唆する可能性がある。

「系外惑星の研究は発見の時代から分析の時代に入りつつある。今や大学院生が100個の系外惑星を発見することも可能になった^[4]が、今回の研究が示すように、大学院生は系外惑星研究の大気分析の研究でも重要な役割を果たしている」と言うのは共著者の田村元秀教授。大学院生が最先端の観測装置からのデータを使ってこのような研究を行う能力は、「遠い世界」の理解を進めるために不可欠であり、この急速に発展する科学分野での大学院生の重要な役割を浮き彫りにしている。

注釈：

[1] アストロバイオロジーセンターのヌグロホ氏がデータ解析の指導を担当した。

[2] ケルビン：絶対温度の単位。摂氏0度（０℃）は273.15ケルビン

[3] 太陽系の土星のコアの質量は地球質量の１７倍程度。

[4] ABCプレスリリース：「宇宙と地上の望遠鏡の連携で100個を超える系外惑星を発見」

論文情報：

論文誌：Astronomical Journal

論文タイトル：Evidence of Water Vapor in the Atmosphere of a Metal-Rich Hot Saturn with High-Resolution Transmission Spectroscopy

著者：S. A. Rafi, S. K. Nugroho, M. Tamura, ほか

DOI: 10.3847/1538-3881/ad5be9

URL: https://doi.org/10.3847/1538-3881/ad5be9

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A team of astronomers, led by Sayyed Ali Rafi, a graduate student from the University of Tokyo, has recently discovered evidence of water vapor (H₂O) in the atmosphere of the hot Saturn, HD 149026 b (Figure 1). This exoplanet, located about 250 light years from Earth in the Hercules constellation, is a type of hot gas giant similar in size to Saturn but orbits extremely close to its host star. It orbits a metal-rich evolved star, HD 149026, nearly 10 times closer than Mercury’s orbit around the Sun, resulting in a year that lasts only about 2.9 days! This proximity causes the temperatures of such hot gas giants to soar above 1500 Kelvin. Specifically, HD 149026 b has an equilibrium temperature of approximately 1700 Kelvin, hot enough to melt even the strongest steel.

 This paper will be published in The Astronomical Journal on August 5th, 2024.

To detect atmospheric signatures from the planet, the team used a technique called transmission spectroscopy. When the planet transits or passes in front of its host star relative to the observer on Earth, some of the star’s light passes through the planet’s atmosphere. This starlight is absorbed by various gases in the atmosphere, creating a planetary absorption spectrum that is imprinted on the stellar spectrum. By separating the stellar spectrum from the planetary spectrum, such as by subtracting the spectrum observed outside of transit (where there’s no atmospheric absorption from the planet), the atmospheric signatures of the planet can be identified.

One major challenge in observing exoplanetary atmospheres is the extremely high contrast between the bright star and the dim planet. This makes the planet’s atmospheric signatures difficult to detect, often buried below the stellar photon noise. The strength of the planet’s signatures would be stronger if we observed planets with either higher temperatures (resulting in more extended atmospheres and easier detection), closer distances to their host stars (making it easier to separate the stellar and planet spectra), or a combination of both. Hot gas giants possess both these properties, making them ideal targets for transmission spectroscopy observations, though their atmospheric signatures remain challenging to detect.

“We can boost the exoplanet signal by combining the information of hundreds or thousands of weak spectral absorption lines that are individually resolved in high-resolution spectroscopy using cross-correlation. This is one of the most successful methods used to characterize the atmosphere of exoplanets so far allowing us to take a peak of the atmosphere of alien worlds”, explains Dr. Stevanus Kristianto Nugroho from Astrobiology Center, who co-authored this study.

Using this technique, the team analyzed high-resolution transmission spectroscopy archival data from CARMENES, a high-resolution spectrograph installed at the 3.5-meter Calar-Alto Observatory in Spain. They focused on the near-infrared wavelength range (0.97 – 1.7 μm) of the spectrograph to search for signs of H₂O and HCN (hydrogen cyanide), which have strong absorption features in this range. “We found an evidence of H₂O in HD 149026 b’s atmosphere at an S/N of 4.8 whilst we cannot find anything related to HCN (Figure 2)”, the lead author, Rafi, said. Last year, interestingly, the James Webb Space Telescope (JWST) also detected H₂O on HD 149026 b, but from its dayside rather than during transit. This complementary finding supports the presence of water vapor in the planet’s atmosphere, indicating that water is present in different regions of the planet’s atmosphere. The team emphasized that their discovery, however, still needs to be confirmed by more transit observations follow-up. As for HCN, the non-detection, the team outlined in their work, might be attributed to the data’s S/N which perhaps might not be enough to detect the molecule.

So, why search for H₂O and HCN? In the atmosphere of hot gas giants like HD 149026 b, if the carbon-to-oxygen ratio (C/O) is less than one (indicating that oxygen is more abundant than carbon), H₂O and carbon monoxide (CO) are the most abundant oxygen and carbon-bearing species. If the C/O ratio is greater than one, H₂O becomes less abundant, and HCN becomes more prevalent, alongside CO, whose abundance remains relatively constant. By finding and determining the abundance of these gases, scientists can measure the atmospheric C/O ratio, which is crucial to infer the formation and evolution history of gas giant planets like HD 149026 b. “This detection of water vapor on a hot Saturn-like exoplanet offers new clues about its atmospheric dynamics and orbital properties and takes us one step closer to understanding planetary formation”, explains Dr. Alejandro Sánchez-López from Instituto de Astrofisica de Andalucia and co-authored this work.

Studying the atmosphere of HD 149026 b is particularly important due to its unique characteristics. This planet has an anomalously large core, estimated to be up to around 110 Earth masses, which challenges existing planet formation models such as gravitational instability and core accretion. These models typically predict much smaller cores for gas giants, so forming a core of this size suggests unusual conditions or processes. Several theoretical scenarios have been proposed, and any follow-up atmospheric observations of this planet could help support one of these theories or even suggest a new one.

Graduate students play a pivotal role in the field of exoplanetary research, as demonstrated by the work of Rafi and his team. Their work highlights the significant contributions these young researchers make. Graduate students’ ability to conduct such study using data from the state-of-art instrument is essential for advancing our understanding of distant worlds, thus highlighting their important role in this rapidly evolving scientific discipline.

PUBLICATION

Journal: The Astronomical Journal
”Evidence of Water Vapor in the Atmosphere of a Metal-Rich Hot Saturn with High-Resolution Transmission Spectroscopy”
Authors: S. A. Rafi, S. K. Nugroho, M. Tamura,  et al.
DOI: 10.3847/1538-3881/ad5be9
URL: https://doi.org/10.3847/1538-3881/ad5be9

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発表のポイント

• 宇宙望遠鏡TESS（テス）^(*注1)と地上望遠鏡の世界的な観測網によって、４つの赤色矮星^(*注2)周りでミニ・ネプチューン^(*注3)を発見（TOI-782 b, TOI-1448 b, TOI-2120 b, TOI-2406 b）。
• 4つのミニ・ネプチューンは中心星近傍に存在し、そのうちの3つ(TOI-782 b, TOI-2120 b, TOI-2406 b)は楕円軌道にある可能性が高い。
• これらのミニ・ネプチューンは地球のような岩石惑星ではなく、海王星に似た惑星かもしれない。

概要

自然科学研究機構アストロバイオロジーセンタ−の堀 安範 特任助教、平野照幸 准教授、東京大学大学院総合文化研究科の福井暁彦特任助教、成田憲保 教授らが参加する国際研究チームは、宇宙望遠鏡TESS(テス)と地上望遠鏡の連携観測によって、4つの年老いた赤色矮星（星の年齢は10億歳以上）周りでミニ・ネプチューンを発見しました。

4つのミニ・ネプチューンは中心星近傍に存在する高温の短周期トランジット惑星^(*注4)で、少なくとも３つのミニ・ネプチューンは楕円軌道にある可能性が高いことがわかりました。一般的に、中心星に近い岩石惑星は時間と共に軌道が円軌道に変化することが知られています。誕生してから10億年以上経過した現在まで歪んだ軌道を保持していることから、これらのミニ・ネプチューンは地球のような岩石惑星ではなく、海王星のような惑星かもしれません。本発見は謎に包まれたミニ・ネプチューンの成り立ちとその姿を解き明かす重要な手掛かりになると期待されます。

　本研究成果は 2024年5月30日に米国科学雑誌「The Astronomical Journal」に掲載されました。

研究背景

地球と天王星・海王星の間のサイズの惑星（ミニ・ネプチューン）は太陽系では見られません。しかし、太陽系外に目を向けてみると、ミニ・ネプチューンは比較的ありふれた存在であることに気付かされます。2021年に打ち上げられたジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の観測ターゲットとして注目を集めるミニ・ネプチューンは一体どのような惑星なのでしょうか？

研究成果

今回の研究では、宇宙望遠鏡TESS(テス)と地上望遠鏡(MuSCATシリーズ^(*注5)など)の連携観測によって4つの年老いた赤色矮星周りで謎に包まれたミニ・ネプチューンを新たに発見しました。4つのミニ・ネプチューン（TOI-782 b, TOI-1448 b, TOI-2120 b, TOI-2406 b）は地球半径の約2-3倍程度の惑星で、星の周りをおよそ8日以内で回っています。さらに、ハワイ島 マウナケア山頂のすばる望遠鏡に搭載された近赤外分光装置IRD (InfraRed Doppler)で4つの赤色矮星の視線速度測定^(*注6)を実施し、4つの惑星の質量の上限値として地球質量の20倍より小さいという結果が得られました。今回得られた惑星の質量と半径の関係から、4つの惑星は地球のような岩石惑星ではなく、少なくともなんらかの揮発性物質 (例えば、H₂Oといった氷物質由来の材料物質や大気)を含む可能性が高いといえます。

　また、4つのうち少なくとも3つのミニ・ネプチューン(TOI-782 b, TOI-2120 b, TOI-2406 b)は楕円軌道にある可能性が高いこともわかりました。一般に、赤色矮星周りの短周期惑星の軌道は星からの潮汐力^(*注7)の影響を受けて円軌道化されます。なぜなら、潮汐力により惑星自身がわずかに変形し、それによって生じる摩擦でエネルギーを散逸することで、楕円だった惑星の軌道が円軌道に変化していくことが知られています。しかしながら、10億年以上も年老いた赤色矮星星の周りの短周期ミニ・ネプチューンは現在まで楕円軌道を維持し続けていました。このことから、一つの解釈として、短周期ミニ・ネプチューンがあまり潮汐力の影響を受けにくい内部構造である可能性が考えられます。実際に、惑星の質量と半径の関係からも、4つのミニ・ネプチューンは潮汐力の影響を強く受けやすい岩石惑星でないことが示唆されています。したがって、これらの短周期ミニ・ネプチューンは潮汐力の影響を受けにくい、例えば海王星に似た惑星かもしれません。こうした短周期ミニ・ネプチューンは現在運用中のNASAのジュームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡による大気観測のターゲットとしても注目されており、今後の詳細な追観測によって、短周期ミニ・ネプチューンの内部組成や大気への理解がより一層進むことが期待されます。

研究助成

本研究は、科学研究費助成事業（科研費：課題番号JP18H05439, JP18H05442）の支援を受けて実施されました。

用語解説

(注１) 宇宙望遠鏡TESS：
2018年に打ち上げられたNASAの太陽系外惑星探索衛星

(注２) 赤色矮星：
太陽よりも小さく、低温度の星

(注３) ミニ・ネプチューン：
地球より大きく、海王星（地球半径の約4倍）より小さな惑星

(注４) トランジット法：
恒星の前面を惑星が通過する時に、惑星が星の光を一部遮ることで生じる減光現象（トランジット法）を利用して発見された太陽系外惑星

(注５) MuSCATシリーズ：
アストロバイオロジーセンターと東京大学が共同で開発した多色撮像カメラ。今回はスペイン・カナリア諸島のMuSCAT2とハワイ・マウイ島のMuSCAT3を利用。

(注６) 視線速度法：
惑星を持つ星は公転運動する惑星からの重力の影響で周期的に揺れ動きます。恒星の視線方向の見かけの速度変動を観測することで存在する惑星の質量を推定する手法

(注７) 潮汐力：
天体が、別の天体の重力によって形状を変化させる力。地球では、月の重力の影響で海の満ち引きが生じています。

発表雑誌

雑誌名：The Astronomical Journal
論文題名：”The Discovery and Follow-up of Four Transiting Short-Period Sub-Neptunes Orbiting M dwarfs”
著者名：Hori, Y., Fukui, A., Hirano, T. et al.
DOI：10.3847/1538-3881/ad4115
URL：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ad4115

関連リンク

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Summary

• Our team discovered mini-Neptunes^*1 around four red dwarfs^*2, which are named TOI-782, TOI-1448, TOI-2120, and TOI-2406, using observations from a global network of ground-based telescopes with MuSCATs and the TESS space telescope^*3.
• These four mini-Neptunes are close to their parent stars, and the three of them are likely to be in eccentric orbits (TOI-782 b, TOI-2120 b, TOI-2406 b).
• These mini-Neptunes are not rocky planets like Earth but may be Neptune-like planets.

abstract

An international team of astronomers, led by Yasunori Hori and Teruyuki Hirano from Astrobiology Center and Akihiko Fukui and Norio Narita from The University of Tokyo, has reported the discovery and follow-up of four short-period mini-Neptunes around red dwarfs older than one billion years. At least three of these mini-Neptunes are likely to be in eccentric orbits. The fact that these mini-Neptunes have maintained non-zero eccentricities for billions of years after their birth suggests that they may not be rocky planets like Earth but Neptune-like planets that are less susceptible to tidal deformation. This study should provide a clue to the origins and elusive interior structures of mini-Neptunes.

 This paper was published in The Astronomical Journal on May 30, 2024.

introduction

Planets between the size of Earth and Uranus/Neptune, known as mini-Neptunes, are not found in our Solar System. However, mini-Neptunes are relatively common outside the Solar System and are promising targets for atmospheric characterization by the James Webb Space Telescope. What do mini-Neptunes look like?

results

We have discovered four transiting^*4 short-period mini-Neptunes orbiting red dwarfs (TOI-782, TOI-1448, TOI-2120, and TOI-2406) through follow-up observations with ground-based telescopes with MuSCATs (a series of Multicolor Simultaneous Camera for studying Atmospheres of Transiting exoplanets^*5). These mini-Neptunes have radii about 2-3 times that of Earth and orbital periods of less than eight days. In addition, our radial velocity measurements^*6 of their parent stars, obtained with the IRD (InfraRed Doppler) on the Subaru telescope, indicate that the upper limit on the masses of these four planets is less than 20 times the mass of Earth. The relationship between the measured radii and the upper mass limits of these mini-Neptunes suggests that they are not rocky planets like Earth. Their interiors likely contain volatiles such as icy materials like H₂O and atmospheres. 

We also found that at least three of these four mini-Neptunes (TOI-782 b, TOI-2120 b, TOI-2406 b) are likely to be in eccentric orbits. In general, the orbit of a short-period planet around a red dwarf should be circular due to tidal dissipation. However, three short-period mini-Neptunes around red dwarfs have maintained non-zero eccentricities for billions of years. One possible interpretation of this is that their interiors are not susceptible to tidal effects. The mass-radius relationship of these four mini-Neptunes suggests that they are not rocky planets. Thus, the interiors of these mysterious mini-Neptunes may be similar to those of Neptune. Short-period mini-Neptunes are promising targets for atmospheric observations with the James Webb Space Telescope. Further detailed follow-up observations are expected to improve our understanding of the internal compositions and atmospheres of short-period mini-Neptunes.

acknowledgments

This research was supported by Grant-in-Aid for Scientific Research (KAKENHI: Grant-in-Aid for Scientific Research No. JP18H05439, JP18H05442).

Publication

Journal: The Astronomical Journal
”The Discovery and Follow-up of Four Transiting Short-Period Sub-Neptunes Orbiting M dwarfs”
Authors: Hori, Y., Fukui, A., Hirano, T. et al. (2024)
DOI: 10.3847/1538-3881/ad4115
URL: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ad4115

*1: Mini-Neptunes or sub-Neptunes are planets between the size of Earth and Neptune (about 4 times the radius of Earth).
*2: M-type stars with effective temperatures below ~3,800K.

*3: NASA’s space telescope, the Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS).

*4: Transit is a phenomenon caused by a planet partially blocking starlight as it passes in front of the star.

*5: MuSCAT series are multi-color cameras mounted on 1~2m class grand-based telescopes.

*6: The gravitational pull of a planet causes its parent star to wobble. The radial velocity method (or the Doppler method) uses the apparent variations in the velocity of a star in the direction of the line of sight to detect an unseen planet.

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概要

アストロバイオロジーセンター、東京大学、国立天文台、東京工業大学の研究者を中心とする国際研究チームは、すばる望遠鏡の赤外線分光器 IRD などを用いた観測とNASA の宇宙望遠鏡 TESS を用いた観測の連携を通して、地球からわずか 40 光年の距離に新たな系外惑星「グリーゼ 12 b」を発見しました。この惑星は地球や金星と同程度の大きさを持ち、太陽よりも低温の恒星のまわりを 12.8 日の時間をかけて周回しています。グリーゼ 12 b が恒星から受け取る日射量が金星の場合と同程度であること、また、大気が散逸せずに一定量残っている可能性があることから、グリーゼ 12 b はこれまでに発見された系外惑星と比べて、「金星のような惑星の大気の特徴を調べるのに最も適した惑星」と言えます。金星は地球の兄弟とも呼ばれる惑星ですが、金星が地球と異なり生命にとって過酷な環境になった原因は大きな謎として残されています。今後、NASA のジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡や次世代の大型望遠鏡でグリーゼ 12 b の大気を詳細に調査することで、惑星が生命の居住に適した環境を持つための条件についての理解が大きく進むと期待されます。 

発表内容

 多種多様な生命を育む私たちの地球は特別な惑星なのでしょうか？ それとも、広い宇宙の中ではありふれた存在なのでしょうか？人類にとって根源的とも言えるこの問いに答えるためには、地球と似た別の惑星からヒントを得る必要があります。とりわけ、地球の隣の惑星である金星は重要な研究対象の一つです。金星のサイズ（地球の0.95倍）や質量（地球の 0.82 倍）はまさに「地球の兄弟」とも言えるほど地球と似通っていますが、その大気は高温高圧で乾燥しており、地球とは似ていません。太陽から受ける光の量（日射量）に多少の違いはありますが、なぜ金星がここまで地球と異なる表層環境をもつようになったのかは、はっきりと分かっていません。このように、惑星が生命の存在に適した環境をもつための条件はまだ曖昧で、その理解を深めるためには、金星だけではなく「太陽系外の金星」にもヒントを求めることが重要です。

太陽以外の恒星を周回する惑星は、1990年代以降、様々な検出方法によって探索され、その発見数は 5500 個を超えています。特に、アメリカ航空宇宙局（NASA）が 2009年に打ち上げたケプラー衛星によって探索が大きく進展し、地球程度かそれより小さなサイズの惑星も発見されるようになりました。しかし、これらの惑星の大半は地球から数百光年と遠く離れた場所にあるため、現在はもちろん、近い将来の望遠鏡でも、それらの惑星の大気や表層環境を詳細に知ることは困難です。 

そこで近年、太陽系の近くにある、太陽よりも軽くて小さい、Ｍ型星と呼ばれる恒星を周回する惑星の探索が精力的に進められています。恒星が軽くて小さいと、惑星が恒星を周回する運動に伴う恒星の速度変化や明るさの変化が検出しやすくなるためです。前者の探索手法をドップラー法（注１）、後者をトランジット法（注２）と呼びます。 

ドップラー法では、光を多数の「虹」に分ける「分光」観測をします。分光観測では、恒星からたくさんの光量を受け取る必要がありますが、Ｍ型星は可視光では暗く、赤外線で明るいという特徴があります。そこで、すばる望遠鏡では、新しい赤外線分光器 IRD（InfraRed Doppler、アイ・アール・ディー）を用いたドップラー法による惑星探査（IRD-SSP）を 2019年度から開始しました（注３）。今回発見されたグリーゼ 12 b を擁する恒星（グリーゼ 12）は、表面温度が 3000 度と、太陽より 2500 度ほど低く、半径が太陽のおよそ４分の１のＭ型星です。研究チームは、うお座の方向の約 40 光年先にあるこの恒星を、IRD-SSP 探査のターゲットの一つとして、2019年から2022年にわたって集中的に観測しました。

一方、グリーゼ 12 は、トランジット法で惑星を探査する NASA の宇宙望遠鏡 TESS（テス）でも、2021年8月から 2023年10月の間に観測されました。TESS の観測チームはグリーゼ 12 の観測データから地球サイズの惑星が存在する兆候を検出し、2023年4月に情報を公開しました。これを受け、本研究チームはアストロバイオロジーセンターや東京大学が開発・運用する多色同時撮像カメラ MuSCAT（マスカット）シリーズを用いて追観測を行い、TESS で検出された惑星の兆候がノイズではなく本物であることを確認しました。さらに、TESS および MuSCAT シリーズで得られたデータの解析から、惑星の公転周期を 12.8 日、半径を地球の約 0.96 倍と求めました。研究チームはさらに、IRD のデータをカラーアルト天文台の 3.5 メートル望遠鏡で取得されたドップラー観測データと組み合わせて解析することで、グリーゼ 12 b の質量の上限値を地球の 3.9 倍と求めました。

グリーゼ 12 b はどのような惑星なのでしょうか？この惑星の「１年」（公転周期）は 12.8 日と短く、その軌道は主星からわずか 0.07 天文単位（太陽―地球間の距離の約 1/14 倍）しか離れていません。しかし、主星の温度が低いため、惑星が主星から受ける日射量は地球の日射量の約 1.6 倍と、金星（地球の約 1.9 倍）と同程度にとどまっています。それでも、この日射量では惑星の表層が高温になってしまい、地表に液体の水が存在したとしても暴走的に蒸発してしまう可能性が高いと考えられます。

一方、惑星表面に液体の水が安定して存在できるかどうかは、日射量に加えて大気の組成や量も重要な要素となります。たとえば、仮に惑星の表面が適温でも、大気が希薄であれば水は液体として存在できません。しかし、太陽系外の地球型惑星がどのような大気をもつのかはまだほとんど分かっていません。

地球型惑星の大気の研究対象としては、７つの地球型惑星をもつトラピスト１惑星系（注４）が有名です。そのうち内側から２番目の惑星であるトラピスト１c は、半径（地球の約 1.1 倍）や日射量（地球の約 2.2 倍）が金星やグリーゼ 12 b とよく似ています。しかし、近年のジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）による観測によって、この惑星には少なくとも金星のような厚い大気は存在しないことが明らかとなりました。トラピスト１は活動性が高く、強いＸ線や紫外線、恒星風などを放射しているため、トラピスト１c はそれらの高エネルギー線の照射を受け、大気の大半を消失してしまった可能性が高いと考えられています。

一方、グリーゼ 12 b は主星のＸ線強度がトラピスト１より１桁ほど弱く、また、主星からの距離がトラピスト１c と比べて４倍以上離れているため、惑星が主星から受ける高エネルギー線照射の影響はトラピスト１c と比べて弱いと考えられます。したがって、一定量の大気を保持している可能性がより高いと言えます。

グリーゼ 12 b は地球からの距離が近いため、トラピスト１c と同様に JWST や次世代の大型望遠鏡を用いた惑星大気観測の対象として最適です。今後、グリーゼ 12 b の大気を観測し、金星やトラピスト１c の大気と比較をすることで、地球型惑星の大気が主星からの放射環境によってどのように異なるのかを明らかにできると期待されます。

現在の金星の表層には液体の水は存在しませんが、過去に存在した可能性が指摘されています。同様に、条件によってはグリーゼ 12 b にも過去に液体の水が存在した、もしくは現在も存在する可能性も残されています。アストロバイオロジーセンターの葛原昌幸特任助教は、「今後の JWST による詳細観測や、将来の 30 メートル級地上望遠鏡によるトランジット分光観測や直接観測によって、この惑星がどのような大気を持つのか、水蒸気、酸素、二酸化炭素などの生命に関連のある成分が存在するのか、明らかになる」と期待します。

本研究成果は、米国の天体物理学専門誌『アストロフィジカル・ジャーナル・レター』に 2023年5月23日付で掲載されました（Kuzuhara, Fukui et al. “Gliese 12 b: A temperate Earth-sized planet at 12 pc ideal for atmospheric transmission spectroscopy“）。 

注釈

（注１）ドップラー法は、惑星の公転運動にともなう恒星の微小な速度変化を測定して惑星を探す方法です。 

（注２）トランジット法は、惑星が主星の手前を通過（トランジット）する際に生じる主星の微小な減光をとらえる方法です。 

（注３）IRD-SSP の初期の重要な成果として、ハビタブルゾーン（惑星表面上で液体の水が安定して存在することが可能な軌道領域）を横切る超地球「ロス 508 b」の発見を報告しています。 

（注４）トラピスト１はみずがめ座方向の約 41 光年先にあるＭ型星です。地上の望遠鏡や NASA のスピッツァー宇宙望遠鏡を用いたトランジット法による観測から、ハビタブルゾーン内の惑星を含む７つの地球型惑星が発見されています。 

（関連リンク） 

NAOJ 2024年5月24日 プレスリリース

ハワイ観測所プレスリリース

東京大学 2024年5月23日 プレスリリース 

NASA プレスリリース (英語)

低温の恒星を回る惑星を赤外線で発見―「超地球」が生命を宿す可能性は？― （2022年8月1日）

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 An international team led by scientists from the Astrobiology Center in Japan, the University of Tokyo, the National Astronomical Observatory of Japan, and Tokyo Institute of Technology has successfully discovered a new extrasolar planet named Gliese 12 b through a collaboration between NASA’s TESS campaign and a strategic survey program (SSP) of the Subaru Telescope. Gliese 12 b has a size similar to Earth and Venus, and is orbiting around its host star, Gliese 12, with a period of 12.8 days. Despite its close proximity to its host star, the amount of radiation Gliese 12 b receives is comparable to that of Venus, because the host star is much cooler than the Sun. The planet may still retain a certain amount of atmosphere, making it one of the most suitable targets out of all of the planets discovered so far to investigate the atmosphere of a planet like Venus. It remains an open question why the surface environment of Venus – a sibling of Earth – became so harsh for life compared to that of Earth. In the near future, NASA’s JWST and extremely large telescopes, such as TMT, will be used to characterize the atmosphere of Gliese 12 b in detail, greatly improving our understanding of the conditions necessary for habitability. 

Is Earth a special planet with its wide variety of life? Or are planets bearing life common in this Universe? In order to answer these fundamental questions, we need to look for clues from other planets that are similar to Earth. In particular, Venus in the Solar System is an important target. Venus’s size and mass are very similar to those of Earth, so Venus is called “Earth’s sibling.” Nevertheless, its atmosphere is thick and dry and thus not like Earth’s. Why did Venus develop a surface environment that is significantly different from Earth’s? Although Venus’s insolation – the amount of light a planet receives from the host star – is slightly higher than Earth’s insolation, the answer to the above question remains unclear. Indeed, scientists don’t understand why a planet develops an environment suitable for bearing life. To better understand that question, it is essential to get hints from not only Venus but also an “exo-Venus,” which is a Venus-like planet outside the Solar System. 

Since the 1990s, more than 5,500 planets orbiting around stars other than the Sun have been discovered by various detection methods. In particular, the Kepler satellite launched by NASA in 2009 played a major role in the discoveries and was the first to discover planets with sizes comparable to or smaller than Earth. However, as these planets are hundreds of light years away from Earth, it is challenging to characterize their atmospheres in detail with the current or even up-coming telescopes. 

The current trend is to discover planets orbiting M type stars, which are less massive than the Sun, in the vicinity of the Solar System. This is because if the star is less massive or smaller, it is easier to detect a change in the host star’s velocity and brightness that originates from the orbital motion of a planet. The method to detect the velocity change is called the “Doppler” technique, while that to detect the brightness change is called the “transit” technique. 

To use the Doppler technique, astronomers carry out spectroscopic observations, in which stellar light is divided into many “rainbows.” A huge amount of light is required for this analysis. M-type stars are faint at visual wavelengths but bright at infrared wavelengths. So, the Subaru Telescope started a large program to search for planets via the Doppler technique in 2019 using the newly-developed infrared spectrograph, IRD. Between 2019 and 2022, the astronomers extensively monitored Gliese 12, a star located 40 light-years away in the direction of the concentration Pisces, as one of the targets of the IRD-SSP observing campaign. Gliese 12 is an M-type star one-fourth the size of the Sun, with a surface temperature of 3,000 ℃, which is 2500 ℃ cooler than the Sun. 

Gliese 12, was also observed by NASA’s TESS space telescope between August 2021 and October 2023. The TESS team detected signs of a planet candidate with a size similar to Earth and reported the detection in April, 2023. This report motivated the astronomers to start the follow-up observations for validating the candidate signal with the multi-color simultaneous cameras MuSCAT2 and MuSCAT3, which were developed by the Astrobiology Center (ABC) and the University of Tokyo. The analysis of the data taken with TESS and the MuSCAT series determined the orbital period of Gliese 12 b to be 12.8 days and the radius to be 0.96 Earth radii. Furthermore, the astronomers constrained the mass of Gliese 12 b to be less than 3.9 Earth masses by combining the Doppler velocity measurements taken with IRD and those with CARMENES on the Calar Alto 3.5 m telescope in southern Spain. 

What kind of planet is Gliese 12 b? The orbital period of this planet, that is to say one year on this planet, is just 12.8 days. This translates to a distance between the star and the planet of only 0.07 au, where one au corresponds to the Earth–Sun distance. However, the amount of insolation Gliese 12 b receives is only 1.6 times higher than that of Earth, or similar to that of Venus (which is 1.9 times higher than Earth’s), thanks to the low temperature of the host star. Nevertheless, even with such a relatively weak insolation, the planetary surface would be hot enough to start the runaway evaporation of liquid water from the surface. 

Meanwhile, whether liquid water can be stably retained on the surface of a planet depends on the composition and thickness of the atmosphere. For example, even if the surface temperature of a planet is appropriate, the planet cannot retain water as a liquid on the surface if the atmosphere is too thin. However, the characteristics of the atmospheres of extrasolar planets have been poorly understood. 

A well-known system for study of planetary atmospheres is the TRAPPIST-1 system, a cool M-type star with seven terrestrial planets. Among the planets around TRAPPIST-1, the second-closest planet to the star, TRAPPIST-1 c, is very similar to Gliese 12 b and Venus in size (1.1 Earth radii) and insolation (2.2 times Earth’s insolation). However, recent observations by the James Webb Space Telescope (JWST) revealed that the atmosphere of TRAPPIST-1 c is at least not as thick as that of Venus. TRAPPIST-1 is active enough to release strong radiation such as X-ray and ultraviolet light, and high-energy particles like stellar winds. Most of the planet’s atmosphere might have been dissipated by this high-energy radiation in the past. 

In contrast, the X-ray luminosity of Gliese 12 is an order of magnitude weaker than that of TRAPPIST-1. In addition, the distance between Gliese 12 b and its host star is more than 4 times larger than that between TRAPPIST-1 c and its host. Accordingly, the effect of high-energy radiation on Gliese 12 b is much weaker than that on TRAPPIST-1 c, making it possible that Gliese 12 b might retain a certain amount of atmosphere compared with TRAPPIST-1 c. 

Given that Gliese 12 is a neighbor of the Sun, Gliese 12 b is an ideal target for atmosphere characterizations with JWST and future 30-m class telescopes, alongside TRAPPIST-1. In the future, by observing the atmosphere of Gliese 12 b and comparing it with those of Venus and TRAPPIST-1 c, scientists will be able to reveal how the atmospheres of terrestrial planets vary depending on the radiation environments around the host stars. 

Although Venus currently does not retain liquid water on the surface, it might have in the past. Likewise, it cannot be fully ruled out that liquid water is present on Gliese 12 b’s surface. “Follow-up observations with JWST and future ground-based observations with 30-m class telescopes for transit spectroscopy are expected to determine whether Gliese 12 b has an atmosphere and whether the atmosphere contains molecular components associated with life such as water vapor, oxygen, and carbon dioxide,” says Masayuki Kuzuhara, a project assistant professor of the Astrobiology Center (ABC). 

There results were published in the Astrophysical Journal Letters on May 23, 2024 (Kuzuhara, Fukui et al. “Gliese 12 b: A temperate Earth-sized planet at 12pc ideal for atmospheric transmission spectroscopy“). 

The Subaru Telescope is a large optical-infrared telescope operated by the National Astronomical Observatory of Japan, National Institutes of Natural Sciences with the support of the MEXT Project to Promote Large Scientific Frontiers. We are honored and grateful for the opportunity of observing the Universe from Maunakea, which has cultural, historical, and natural significance in Hawai`i. 

(Related Links) 

NAOJ May 24, 2024 Press Release

Subaru telescope, Press Release

NASA May 23, 2024 Press Release 

W. M. Keck Observatory May 23, 2024 Press Release

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植物は光合成によるエネルギー変換過程で、過剰な光エネルギーを熱として積極的に排出する非光化学的消光（NPQ）と呼ばれる安全弁を備えています。近年NPQの分子メカニズムの解明が進み、環境適応に果たす役割の重要性が強調される一方で、NPQの排熱による影響は注目されておらず、定量されていませんでした。今回、自然科学研究機構アストロバイオロジーセンターの滝澤謙二准教授、基礎生物学研究所のキム・ウンチュル助教、皆川純教授、総合研究大学院大学の村上葵氏による研究チームは、標準的な植物が日照下でNPQにより発する熱量を算出し、それによる葉の内部の温度上昇効果と、地球全体で平均化した場合の地温上昇効果を見積もりました。NPQによる発熱は細胞レベルにおいても、地球レベルにおいても、系全体のエネルギー収支に比べて小さいものの、無視できるほどではなく、熱の移動が制限される条件下では温度上昇に寄与する可能性があることを示しました。研究成果はFrontiers in Plant Science （2024年3月20日付）に掲載されました。

研究成果

• NPQによる葉の内部温度への影響
  中緯度地域の正午の日射量に、集光アンテナ(注1)による吸収率、光化学反応中心(注2)でのエネルギー分配率を掛け合わせ、NPQとして放出される熱量を64Wm^-2と見積もりました。表皮組織、柵状組織、海綿状組織から成る葉の構造を仮定し、中央の柵状組織からこの熱量が放出された場合の葉の内部温度勾配を算出したところ、通常は0.1度以下と軽微でしたが、熱伝導が海綿状組織の空気層に限られる特殊な条件下では、１度程度まで上昇する可能性があることが示されました。
• NPQによる地球への表面温度への影響
  地球上の緯度、季節、時刻による日射量変化と、植生の被覆率を考慮して、全体平均のNPQによる発熱量を2.2Wm^-2と見積もりました。これは地表面からの赤外放射全体の0.55%に相当し、割合としては少ないものの、近年の温室効果ガスと同程度の影響を地球環境に与える可能性があることを示唆します。

今後の展望

植物生理学における展望：

NPQによる発熱は葉全体を温める効果は低いが、局所的・一時的に細胞内、葉緑体内の温度を上昇させる可能性があります。金属ナノ粒子などの極小温度センサーの開発により葉緑体チラコイド膜周辺の温度勾配を明らかにすることで、光合成反応過程でのエネルギー分配、温度による制御を解明することが期待されます。

アストロバイオロジーにおける展望：

地球上の植物の多くは集光を最大化し、余分なエネルギーを熱として放出するように進化しています。植生による地表面の被覆は反射率を低下させるため、二酸化炭素の吸収による寒冷化をを相殺する効果があります。地球とは異なる太陽系外惑星において、日射のほとんどを反射し排熱が少ない植物が進化した場合、陸上植生の拡大により地球よりも急激な寒冷化が進む可能性があります。

用語解説：

（注１）集光アンテナ：
光合成反応中心の周りに配置され、光を集めエネルギーを反応中心に受け渡す役割を担う色素タンパク質複合体。

（注２）光合成反応中心：
光エネルギーを化学エネルギーに変換する色素タンパク質複合体。酸素発生型光合成では二つ一組で一連の電子伝達反応を駆動します。

発表雑誌

雑誌名：Frontiers in Plant Science

掲載日：2024年3月20日

論文タイトル： How much heat does non-photochemical quenching produce?

著者：Murakami A, Kim E, Minagawa J, and Takizawa K

DOI：10.3389/fpls.2024.1367795

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アストロバイオロジーセンターサテライト研究関連の研究成果が東北大学よりリリースされました！

【発表のポイント】

• 大気モデルを用いて、アミノ酸や糖などの生命材料分子の材料となるホルムアルデヒド(H₂CO)が約38-36億年前の火星大気中で継続的に生成されていたことを示しました。
• 生命材料分子である糖が、太古の火星の海で継続的に生成されていた可能性を示唆しています。

（東北大学プレスリリースより引用）

詳細は東北大学プレスリリースをご参照ください。

【論文情報】

掲載誌：Scientific Reports

タイトル：Atmospheric formaldehyde production on early Mars leading to a potential formation of bio-important molecules

著者：Shungo Koyama, Arihiro Kamada, Yoshihiro Furukawa, Naoki Terada, Yuki Nakamura, Tatsuya Yoshida, Takeshi Kuroda, and Ann Carine Vandaele

DOI: 10.1038/s41598-024-52718-9

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