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

共鳴し合う６つ子の惑星を発見(2023/11/30)

第二の地球を発見するための新しい多色撮像カメラMuSCAT2が完成(2018/12/17)

第二の地球を探す、新観測装置IRDが稼働！(2018/7/2)

The post 想定外の軌道を持つ「小さな海王星」の発見 first appeared on 自然科学研究機構アストロバイオロジーセンター.

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.

The post The Discovery of Enigmatic Mini-Neptunes in Unexpectedly Eccentric Orbits first appeared on 自然科学研究機構アストロバイオロジーセンター.

―全ての隣り合う惑星の公転周期が尽数関係を持つ惑星系HD 110067―

発表のポイント

• 宇宙望遠鏡と地上望遠鏡による世界的な連携観測によって、太陽系から約100光年離れた恒星HD 110067の周りで6つのトランジット惑星を発見した。
• 6つの惑星は、全ての隣り合う惑星同士の公転周期が簡単な整数比で表される尽数関係にある。
• この惑星系は、惑星がどのように形成したかを考える上で貴重な惑星系となるほか、それぞれの惑星大気の観測が行われれば、惑星の大気獲得過程や恒星からの光が惑星大気の散逸や化学進化に与える影響の理解につながると期待される。

概要

東京大学大学院総合文化研究科の成田憲保教授（自然科学研究機構アストロバイオロジーセンター客員教授）、福井暁彦特任助教らのMuSCATチーム（注1）を含む国際共同研究チームは、宇宙望遠鏡と地上望遠鏡の連携した観測により、太陽系から約100光年離れた恒星HD 110067の周りで6つのトランジット惑星（注2）を発見しました。

　この6つの惑星は、全ての隣り合う惑星の公転周期が2:3や3:4という簡単な整数比（尽数関係：注3）となっており、惑星が原始惑星系円盤の中でどのように形成し、移動してきたかを考える手がかりを与えてくれます。また、今後これらの惑星の大気の観測が行われれば、惑星の大気獲得過程や恒星からの光が惑星大気の散逸や化学進化に与える影響の理解につながると期待されます。

今回の発見は、アメリカ航空宇宙局（NASA）のトランジット惑星探索衛星TESS（Transiting Exoplanet Survey Satellite：注4）、欧州宇宙機関（ESA）の宇宙望遠鏡CHEOPS（CHaracterising ExOPlanets Satellite：注5）、MuSCATチームが開発した多色同時撮像カメラMuSCAT2、MuSCAT3（図1、図2）を含めた複数の地上望遠鏡が連携した観測によって実現しました。
　本研究成果は、2023年11月29日（英国時間）に英国科学誌「Nature」に掲載されます。

発表内容

太陽の約8割の質量と半径を持つ恒星HD 110067は、かみのけ座の方向、約100光年の距離にあります。この恒星はNASAのTESSによって、2020年3～4月と2022年2～3月に約27日ずつ明るさの変化をモニタリングする観測が行われました。TESSの観測によって、約9.11日と約13.67日の周期でトランジットによる減光が起きていることがわかりました。しかし、観測されたTESSのデータには他にもトランジットらしき減光がいくつもあり、この恒星の周りに一体いくつのトランジット惑星があるのか、それぞれの惑星の周期は何日なのかがわからない状態でした。そこで国際共同研究チームは、考察に基づく仮説と観測による検証により、この謎解きに取り組みました。

研究チームはまずトランジットの形（減光の深さと継続時間）に着目しました。これは、ある惑星によるトランジットは毎回同じ形をしているためです。そして研究チームはTESSのデータに2種類の同じ形のトランジットのペアが存在し、2020年と2022年にそれぞれ1回ずつ観測されていることを見出しました。しかし、TESSは約2年の間の時期は観測をしていなかったため、必ずしも周期が2年というわけではありません。約2年離れて観測された2回のトランジットの時間間隔を自然数で割ったものが真の周期の候補となります。これらの候補の周期で予想されるトランジットの時間帯にESAのCHEOPSが観測を行った結果、2種類のうち1つのトランジットは約20.52日の周期で起きていることが確認されました。

確認された3つの惑星の周期（9.11日、13.67日、20.52日）をよく見ると、隣り合う惑星の周期比がそれぞれ2:3という簡単な整数比になっていることに気づきます。同一の天体を公転する天体の周期比がこのように簡単な整数比になることを「尽数関係」と呼びます。太陽系にも尽数関係を持つ天体は存在し、例えば海王星と冥王星の公転周期の比は2:3となっており、木星の衛星であるイオ・エウロパ・ガニメデではそれぞれのペアの公転周期の比が1:2となっています。

このように尽数関係を持つ3つの惑星があることを惑星形成の観点から考えると、この惑星系では形成時に複数の惑星がお互いに尽数関係を持つ平均運動共鳴（注3）の軌道にとらわれ、原始惑星系円盤の中でその関係を保ちながら現在の軌道まで移動してきたと考えられます。そうすると、残りのトランジットを起こしている惑星の周期も尽数関係を持つと考えることが自然です。そこで研究チームは約2年間離れて観測されたもう1種類のトランジットの真の周期は約20.52日に対して尽数関係を持つ、すなわち観測された2回のトランジットの時間間隔を自然数で割った値が約20.52日と簡単な整数比を持つと考えました。そして、そのような条件を満たす唯一の解として約30.79日の周期を見出しました。

このように4つの惑星の周期が同定された後も、2022年のTESSのデータにはそれぞれ異なる形の2つのトランジットが残っていました。この2つはそれぞれ1回しかトランジットをしていないので、真の周期がわかりません。そこで研究チームは、5つ目の惑星の周期は約30.79日に対して尽数関係を持ち、さらに6つ目の惑星の周期は5つ目の惑星の周期に対して尽数関係を持つと仮定し、50通りのシナリオを考えました。具体的には、それぞれの周期比が1:2、2:3、3:4、4:5、5:6の5通り、かつ観測された2つのトランジットがそれぞれ5つ目と6つ目のどちらかがわからないので2通りの場合分けを考えました。これらのシナリオの中から、既存のTESSのデータにトランジットがないことや、天体力学的な考察をもとに、研究チームは5つ目の惑星の周期は約30.79日に対して3:4となる約41.06日、6つ目の惑星の周期は5つ目の惑星の周期に対して3:4となる約54.77日である可能性が高いと考え、以下の2つの方法でその仮説の検証を行いました。

その1つが、2022年5月23～24日（協定世界時）にかけて行われた複数の地上望遠鏡による5つ目の惑星（約41.06日周期）のトランジットの追観測キャンペーンです。MuSCATチームはこのキャンペーンに参加し、スペイン・テネリフェ島にあるMuSCAT2でトランジットの開始、アメリカ・マウイ島にあるMuSCAT3でトランジットの終了を精度良くとらえました（図3）。このトランジットは減光の深さが0.1%程度しかなく、トランジットの継続時間は5時間以上、予報の誤差も大きいという難度の高い観測でしたが、地上最高レベルの測光精度を4色で同時に達成でき、時差の離れた望遠鏡に搭載されているMuSCAT2とMuSCAT3の連携が大きな威力を発揮しました。このキャンペーン観測により、5つ目の惑星の周期が約41.06日であることが確認されました。

もう1つは、解析対象外となっていた2020年のTESSのデータの解析です。TESSは観測方向や時期によっては月や地球からの散乱光が観測視野に混入してしまい、そのようなデータはノイズが大きくなってしまいます。そうしたデータは取得されているものの、通常解析が行われません。しかし研究チームは、上の仮説が正しければ5つ目と6つ目の惑星のトランジットが2020年のTESSのデータの中にあるはずだと考え、解析対象外となっていたデータの解析を行いました。そして実際に、仮説によって予想された時刻にトランジットがあることが確認されました。

以上のように、研究チームは仮説と検証に基づいてTESSで観測された複雑なトランジットの謎を解き、HD 110067は全ての隣り合う惑星の公転周期が尽数関係を持つ6つ子の惑星系であることを明らかにしました。なお、7つ目以降の惑星の存在はまだ確認されていませんが、存在が否定されたわけではなく、今後も探索が続けられる見通しです。また、6つの惑星は地球の1.9～2.9倍の半径を持っており、地球のような岩石惑星ではなく、水素大気を持つ小さな海王星（海王星の半径は地球の約4倍）のような惑星であると考えられます。

　2023年までに既に5千個を超える系外惑星が発見されていますが、HD 110067のように3つ以上の惑星が尽数関係を持つ惑星系は両手で数えられるほどしか発見されていません。このような惑星系は、惑星が原始惑星系円盤の中でどのように形成し、移動してきたかを理論的に深く考察する手がかりを与えてくれます。また、同一の主星の周りで5つ以上のトランジット惑星が発見されている中で、HD 110067は最も明るい恒星です。明るい恒星を公転するトランジット惑星は大気の観測に適しており、しかも同じ惑星系に複数のトランジット惑星があることから、それらの惑星の大気を観測し比較することが可能です。そのため、この6つ子の惑星は今後惑星大気の絶好のターゲットとなり、尽数関係にある惑星が原始惑星系円盤の中でどのように大気を獲得したかや、恒星からの光が惑星大気の散逸や化学進化にどのような影響を与えたかが調べられると期待されます。

○関連情報：

「プレスリリース①　火山活動の可能性がある地球サイズの惑星を発見 ―潮汐力により加熱された系外惑星LP 791-18d―」（2023/05/18）

「プレスリリース②　ハビタブルゾーンにあるスーパーアースを発見」（2022/09/07）

「プレスリリース③　大気の詳細調査に適した地球型の系外惑星を発見」（2021/03/05）

https://www.c.u-tokyo.ac.jp/info/news/topics/files/20210305naritanosobun01.pdf

研究助成

本研究は、日本学術振興会（JSPS）科学研究費助成事業（科研費：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CREST（課題番号JPMJCR1761）、自然科学研究機構アストロバイオロジーセンターサテライト（課題番号AB022006）の支援を受けて実施されました。

用語解説

（注1）MuSCATチーム

成田教授と福井特任助教らが岡山県の188 cm望遠鏡、スペイン・テネリフェ島の1.52 m望遠鏡、アメリカ合衆国・マウイ島の2 m望遠鏡、オーストラリア・ニューサウスウェールズ州の2 m望遠鏡用に開発した、3つもしくは4つの波長帯で同時にトランジットを観測できる多色同時撮像カメラMuSCATシリーズ（装置名称はそれぞれMuSCAT、MuSCAT2、MuSCAT3、MuSCAT4）を用いて研究を行なっているチーム。MuSCATはMulticolor Simultaneous Camera for studying Atmospheres of Transiting exoplanetsの略で、岡山県の名産マスカットにちなんでいます。

（注2）トランジット惑星

系外惑星がその主星の手前を通過する時、主星の明るさが見かけ上わずかに暗くなります。この現象をトランジットと呼び、トランジットを起こすような軌道を持つ惑星をトランジット惑星と呼びます。

（注3）尽数関係と平均運動共鳴

2つの天体の公転あるいは自転の周期が簡単な整数比になること。本文では公転周期同士の尽数関係を例に挙げましたが、自転と公転の周期比についても使われる言葉で、例えば月の自転周期と月の公転周期は1:1の尽数関係にあると言うことができます。2つの天体の公転周期が尽数関係を持つ場合は、2つの天体が平均運動共鳴の状態にあると言われます。

（注4）TESS（Transiting Exoplanet Survey Satellite）

TESSはマサチューセッツ工科大学の研究者が中心となって立案したトランジットによって系外惑星を探すNASAの衛星計画です。TESSは2018年4月18日に打ち上げられ、2年間でほぼ全天のトランジット惑星を探索するという計画を実施してきました。現在は第2期延長計画が実施されており、少なくとも2024年まで観測が続けられる予定です。これまでの5年間で、6千個を超えるトランジット惑星候補を発見しています。

（注5）CHEOPS（CHaracterising ExOPlanets Satellite）

CHEOPSはスイスの研究者が中心となって立案し、ESAによって2019年12月18日に打ち上げられたトランジット惑星の観測専用の宇宙望遠鏡です。主に既知のトランジット惑星のトランジットを高精度に観測し、そのトランジットが起きた時刻や惑星の半径を精度良く決定することを目的としています。当初は3.5年の計画でしたが、第1期延長計画が認められ、少なくとも2026年まで観測が続けられる予定です。

論文情報

雑誌名：Nature

題　名：A resonant sextuplet of sub-Neptunes transiting the bright star HD 110067

著者名：Rafael Luque*, Hugh P. Osborn, Adrien Leleu, et al. including Norio Narita and John H. Livingston

DOI：10.1038/s41586-023-06692-3

URL：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06692-3

関連リンク

東京大学プレスリリース

科学技術振興機構プレスリリース

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発表のポイント

• 宇宙望遠鏡と地上望遠鏡による世界的な連携観測によって、新たな太陽系外惑星（系外惑星）LP 791-18dが発見された。
• LP 791-18dでは木星の衛星イオのような活発な火山活動が想定される。
• LP 791-18dはハビタブルゾーン（生命居住可能領域）の内側境界付近にあり、大気を保持する可能性があるため、生命誕生の起源を探る研究にとって興味深い惑星として注目される。

概要

東京大学大学院総合文化研究科の成田憲保教授（自然科学研究機構アストロバイオロジーセンター客員教授）、福井暁彦特任助教、森万由子特任研究員らが参加する国際研究チームは、宇宙望遠鏡と地上望遠鏡による観測を組み合わせた研究により、およそ90光年先にある赤色矮星（注1）LP 791-18の周りに地球サイズの系外惑星LP 791-18dを新たに発見しました（図1）。この惑星dは、外側の隣接する軌道を公転する大きくて重い惑星cからの引力を受けて軌道が楕円形になっており、木星の衛星イオのように火山に覆われている可能性があります。この惑星は今後の惑星大気の観測が期待され、地殻活動が惑星大気にどのような影響を及ぼすかについて重要な発見をもたらす可能性があります。今回の発見は、アメリカ航空宇宙局 (NASA) のトランジット惑星探索衛星TESS（Transiting Exoplanet Survey Satellite：注2）、NASAのスピッツァー宇宙望遠鏡（注3）、東京大学とアストロバイオロジーセンターの研究者が開発した多色同時撮像カメラMuSCAT、MuSCAT2（図2、3）を含めた多数の地上望遠鏡が連携した観測によって実現しました。
　本研究成果は、2023年5月17日（英国夏時間）に英国科学誌「Nature」に掲載されました。

発表内容

〈研究の背景〉

赤色矮星LP 791-18は、太陽系からおよそ90光年離れたコップ座の方向にあります。この恒星の周りにはこれまで、トランジット惑星探索衛星TESSによる観測から惑星bとcが見つかっていました。惑星bは地球の約1.2倍の半径で公転周期は約0.94日、惑星cは地球の約2.5倍の半径で公転周期は約4.99日の惑星です。

〈研究の内容〉

新たな惑星LP 791-18dのトランジットは、127時間におよぶスピッツァー宇宙望遠鏡の連続観測によって発見されました。この惑星dは、惑星bとcの間の軌道に位置しており（図1）、恒星の周りを公転周期2.75日で公転しています。半径はおよそ1.03地球半径と推定され、半径は地球ととてもよく似ています。

この惑星がどのような惑星なのかを調べるため、日本のMuSCATチーム（注4）を含め、TESSの公式追観測プログラムであるTFOP（TESS Follow-up Observing Program）に参加している多数のチームが地上望遠鏡を用いて惑星cとdのトランジット観測を行いました。

LP 791-18の周りを公転するたびに、惑星dとcは接近するタイミングが訪れます。この時お互いの引力が影響を及ぼし合うため、トランジット時刻が一定の公転周期からずれます。このトランジット時刻のずれを調べることで、引力を及ぼしている惑星の質量を推定することができます。MuSCATチームをはじめ、多数の地上望遠鏡による観測を繰り返すことで毎回のトランジット時刻を測定し、惑星dの質量が地球と同程度、惑星cの質量が地球の9倍程度であることを明らかにしました。

惑星cから及ぼされる引力は、惑星dの公転軌道をわずかに楕円形に変形させています。この楕円形の軌道を公転する中で、惑星dには恒星からの潮汐力（注5）が働き、わずかに変形します。この変形が惑星内部の摩擦を生み、惑星を加熱し、惑星表面で活発な火山活動を起こしている可能性があります。これは、太陽系で最も活発な火山活動を示す木星の衛星イオの加熱メカニズムと同じです。

〈今後の展望〉

LP 791-18dはハビタブルゾーンの内側境界付近に位置している惑星で、恒星からの潮汐力により自転周期と公転周期が一致しており、恒星に常に同じ面を向けていると考えられます。恒星からの光を受けている惑星の「昼側」の面は液体の水が存在するには高温すぎる可能性が高いですが、火山活動が起こっていれば惑星に大気が存在し、「夜側」の面では大気中で水蒸気が凝集し液体の水が存在している可能性があります。

惑星cについては、昨年から観測を始めた最新の宇宙望遠鏡であるジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（注6）による惑星大気の観測が予定されています。加えて、今回発見された惑星dも重要な惑星大気観測のターゲットになり得ると研究チームは考えています。

惑星の活発な火山活動は、本来惑星の地殻内部に閉じ込められてしまう物質を大気中に送り込む役割を果たしているかもしれません。そういった物質の中には、生命にとって重要である炭素なども含まれます。この惑星の大気組成の検出が実現できれば、惑星の地殻活動が惑星大気に及ぼす影響を深く調べることが可能になるでしょう。これは生命の起源の研究につながる可能性があり、「アストロバイオロジー（宇宙生物学）」の観点からも重要です。

研究助成

本研究は、科学研究費助成事業（科研費：課題番号JP17H04574、JP18H05439）、特別研究員奨励費（課題番号JP20J21872）、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業さきがけ（課題番号JPMJPR1775）、CREST（課題番号JPMJCR1761）、自然科学研究機構アストロバイオロジーセンタープロジェクト（課題番号AB031010）の支援を受けて実施されました。

注釈

（注1）赤色矮星

表面温度がおよそ摂氏3,500度以下の恒星を赤色矮星と呼びます。宇宙に存在している恒星の約8割は赤色矮星で、太陽系の近傍にある恒星の多くも赤色矮星です。太陽よりも小さく、表面温度も低いことから、惑星表面に液体の水を保持しうる領域であるハビタブルゾーンが太陽の場合よりも短周期となります。

（注2）トランジット惑星探索衛星TESS

系外惑星がその恒星の手前を横切る時、恒星の明るさがわずかに暗くなります。この現象をトランジットと呼び、トランジットを観測することで系外惑星を発見し、その惑星の周期や大きさなどを調べることができます。TESSはトランジットによって系外惑星を探すNASAの衛星計画です。TESSは2018年4月18日に打ち上げられ、2年間でほぼ全天のトランジット惑星を探索するという計画を実施してきました。現在は第2期延長計画が実施されており、少なくとも2025年まで観測が続けられる予定です。これまでの5年間で、6,000個を超えるトランジット惑星候補を発見しています。

（注3）スピッツァー宇宙望遠鏡

NASAが2003年に打ち上げた宇宙望遠鏡で、2020年に退役しました。高精度な赤外線の観測が可能で、系外惑星の観測においても大きく活躍しました。

（注4）MuSCATチーム

成田教授と福井特任助教らが岡山県の188 cm望遠鏡、スペイン・テネリフェ島の1.52 m望遠鏡、アメリカ合衆国・マウイ島の2 m望遠鏡用に開発した、3つもしくは4つの波長帯で同時にトランジットを観測できる多色同時撮像カメラMuSCATシリーズ（装置名称はそれぞれMuSCAT、MuSCAT2、MuSCAT3）を用いた研究チーム。MuSCATはMulticolor Simultaneous Camera for studying Atmospheres of Transiting exoplanetsの略で、岡山県の名産にちなんでいます。

（注5）潮汐力

大きさを持った天体Aが別の天体Bからの重力を受けるとき、天体Aに生じる形状を変化させるような力のこと。地球では月の影響によって海の満ち引き（形状の変化）が生じています。木星の衛星イオでは、潮汐力によって生じる衛星内部の摩擦によって内部が加熱され、活発な火山活動が起こっています。

（注6）ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡NASAが中心となって打ち上げた6.5 mの口径を持つ宇宙望遠鏡。2021年12月25日に打ち上げられ、2022年から科学観測が開始されました。可視・近赤外・中間赤外領域において、これまで達成し得なかった精度での撮像・分光・測光観測が可能となりました。

論文情報

〈雑誌〉  Nature

〈題名〉  A temperate Earth-sized planet with tidal heating transiting an M6 star

〈著者〉  Merrin S. Peterson, Björn Benneke, Karen Collins et al. 

〈DOI〉  10.1038/s41586-023-05934-8

〈URL〉  https://www.nature.com/articles/s41586-023-05934-8

関連リンク

東京大学プレスリリース

科学技術振興機構（JST）プレスリリース

The post 火山活動の可能性がある地球サイズの惑星を発見　―潮汐力により加熱された系外惑星LP 791-18d― first appeared on 自然科学研究機構アストロバイオロジーセンター.

太陽系から約 100 光年の距離にある低温の恒星 LP 890-9 (別名：TOI-4306、SPECULOOS-2) の周りに２つのスーパーアースが発見されました。外側のスーパーアース LP 890-9 c は、惑星表面に液体の水が存在しうる領域 (ハビタブルゾーン) 内を公転しています。今回の発見は、NASA のトランジット惑星探索衛星 TESS と、ベルギー・リエージュ大学の研究者らによる SPECULOOS プロジェクト、そして、東京大学とアストロバイオロジーセンターの研究者らによる多色同時撮像カメラ MuSCAT3 とすばる望遠鏡の IRD の観測が連携することによって成功しました。

2022年現在、惑星が恒星の手前を通過する「トランジット」という現象を利用した系外惑星の探索が、トランジット惑星探索衛星 TESS (注１) によって行われています。TESS は、４台の超広視野カメラを用いて空の 24 度× 96 度の領域を 27.4 日ずつ観測し、トランジットの際に起きる恒星の周期的な減光を探しています。今回惑星が発見された、低温の恒星 (赤色矮星；注２) LP 890-9 は、周期約 2.73 日の減光が TESS で発見され、トランジット惑星候補「TOI-4306.01」という名前で 2021年7月21日に世界に公開されました。

TESS の公式追観測プログラムである TFOP (TESS Follow-up Observing Program) に参加している日本の MuSCAT チーム (注３) とベルギーの研究者らによる SPECULOOS チーム (注４) は、2021年8月以降それぞれ独立に、この惑星候補が本物か確認するための追観測に取り組みました。これは TESS で発見される周期的な減光が、２つの恒星 (連星) がお互いを隠す場合にも起こりうるからです。

MuSCAT チームは、マウイ島のハレアカラ観測所に設置した４色同時撮像カメラ「MuSCAT3」による多色トランジット観測と、すばる望遠鏡の赤外線ドップラー装置 IRD による視線速度の観測から、2021年10月までに TOI-4306.01 が惑星 (LP 890-9 b) であることを確認しました。

一方、SPECULOOS チームは2021年8月から TOI-4306.01 のトランジット時刻以外も含めて LP 890-9 の継続的な観測を行い、2021年10月と11月に TOI-4306.01 とは別の周期の減光 (別のトランジット惑星候補) を発見しました。SPECULOOS チームのデータでは惑星の公転周期を１つに絞り込むことができませんでしたが、MuSCAT チームは SPECULOOS チームと協力して MuSCAT3 での追観測を行い、このトランジット惑星候補が本物の惑星 (LP 890-9 c) であり、公転周期が約 8.46 日であることを突きとめました。

MuSCAT チームを率いる東京大学の成田憲保教授は、「IRD による視線速度測定は、惑星候補の質量に強い制限を与え、LP 890-9 を公転する２天体が本物の惑星であることを示す決め手になりました」と語ります。

発見された２つの系外惑星 LP 890-9 b と LP 890-9 c は、半径がそれぞれ 1.32 地球半径と 1.37 地球半径のスーパーアース (注５) です。この半径の惑星は、理論的には、地球よりやや大きな岩石惑星と考えられます。この２つのうち外側にある LP 890-9 c は、主星 (LP 890-9) からの距離が惑星表層に液体の水を保持しうる条件を満たした領域、いわゆるハビタブルゾーン (生命居住可能領域) 内にあります。公転周期が 10 日に満たない、つまり、主星のすぐ近くにある惑星がハビタブルゾーンにあるのは、主星が太陽の 15 パーセントほどの半径の小さな恒星で、その表面温度が摂氏約 2600 度しかないためです (太陽は摂氏約 5500 度)。

LP 890-9 c はまだ発見されたばかりで、そこがどんな世界で、はたして生命が育まれているのかどうかも現時点ではわかりません。しかし、LP 890-9 c はトランジット惑星であるため、将来のトランジットの追観測によって大気組成や雲の有無など大気の性質を詳しく調べることができます。大気の性質は地表に液体の水が安定的に存在出来るかどうかに大きく影響します。たとえ将来の観測でこの惑星には生命が存在しそうにないとわかっても、ハビタブルゾーンにある岩石惑星がどのような大気を持つのかを研究することは、私たちの住む地球が宇宙の中でどんな存在なのかを位置付ける上で重要です。その点において、今回の発見は将来のさらなる研究へとつながる重要な研究対象をもたらしたといえます。

本研究成果は、欧州科学誌『アストロノミー＆アストロフィジックス』のオンライン版に2022年9月7日付で掲載されました (Delrez et al. “Two temperate super-Earths transiting a nearby late-type M dwarf“)。

本研究は、科学研究費助成事業 (科研費：課題番号 JP15H02063、JP17H04574、JP18H05439、JP18H05442、JP19K14783、JP21H00035、JP21K13975、JP21K20376、JP22000005)、特別研究員奨励費 (課題番号 JP20J21872)、科学技術振興機構 (JST) 戦略的創造研究推進事業 CREST (課題番号 JPMJCR1761)、自然科学研究機構アストロバイオロジーセンタープロジェクト (課題番号 AB031010、AB031014)、社会福祉法人梓友会からの支援を受けて実施されました。

詳しくは東京大学のプレスリリースをご覧ください。


(注１) トランジット惑星探索衛星 TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) は、マサチューセッツ工科大学が中心となって実施している NASA の衛星計画です。2018年4月18日に打ち上げられ、２年間でほぼ全天のトランジット惑星を探索するという計画を実施してきました。現在は第２期延長計画が実施されており、５年目の観測が行われています。第１期延長計画までの４年間で、5000 個を超えるトランジット惑星候補を発見してきました。

(注２) 表面温度がおよそ摂氏 3500 度以下の恒星を赤色矮星と呼びます。実は宇宙に存在する恒星の８割近くは赤色矮星で、太陽系の近傍にある恒星の多くも赤色矮星です。太陽よりも小さく、表面温度も低いことから、太陽系の場合よりも恒星に近い位置にハビタブルゾーンがあります。

(注３) MuSCAT シリーズは、岡山県の 188 cm 望遠鏡、スペイン・テネリフェ島の 1.52 m 望遠鏡、アメリカ合衆国・マウイ島の２m 望遠鏡に搭載された、３つもしくは４つの波長帯で同時にトランジットを観測できる観測装置 (装置名称はそれぞれ MuSCAT、MuSCAT2、MuSCAT3) です。MuSCAT は Multicolor Simultaneous Camera for studying Atmospheres of Transiting exoplanets の略で、岡山県の名産品にちなんでいます。

(注４) SPECULOOS は、ベルギーのリエージュ大学の研究者がリードする、赤色矮星周りのハビタブルゾーンを公転するトランジット惑星の探索プロジェクトです。SPECULOOS は Search for habitable Planets EClipsing ULtra-cOOl Stars の略で、ベルギーの伝統的なビスケットの名前にちなんでいます。

(注５) 半径が地球の１～ 1.5 倍程度の、地球よりやや大きな惑星のことをスーパーアースと呼びます。理論上、この半径の惑星は、水素大気を持つ小さなガス惑星 (サブネプチューン) である可能性が極めて低い (水素大気を維持できない) ため、岩石を主体とした惑星と考えられます。

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

• 東京大学 2022年9月7日 プレスリリース
• すばる望遠鏡 2022年9月7日 プレスリリース
• 国立天文台科学研究部 2022年9月7日 プレスリリース

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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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発表のポイント：

• 宇宙望遠鏡と地上望遠鏡による多色トランジット観測（注1）により、恒星が寿命を迎え、燃え尽きた後に残され
• る「白色矮星」（注2）を周期1.4日で公転する初めての巨大惑星候補を発見した
• 白色矮星のそばでも惑星が破壊されずに存在している場合があることを実証した
• この無傷の惑星の発見は、白色矮星周りの生命居住可能惑星の存在可能性にも光を当てる

概要

アストロバイオロジーセンターの成田憲保客員教授（東京大学総合分科研究科附属先進科学研究機構教授）らの参加する国際研究チームは、2018年4月にNASAが打ち上げたトランジット惑星探索衛星TESS（注3）と、2020年1月に退役したNASAのSpitzer宇宙望遠鏡、そして成田客員教授らが開発した多色同時撮像カメラMuSCAT2（注4）などを用いた多色トランジット観測により、白色矮星を公転する初めての巨大惑星候補（※）を発見しました。

太陽系から約80光年の距離にある白色矮星WD1856+534（以下WD1856：注5）の周りを公転するこの天体WD1856 bは、周期1.4日で公転しており、半径はほぼ木星と同じで、質量は木星の約14倍以下であることがわかりました。白色矮星の周りでは、惑星が破壊された後の残骸と考えられる「微惑星」が公転している例はこれまでにも発見されてきましたが、破壊されていない無傷の巨大惑星候補が発見されたのは初めてとなります。今回の発見は、白色矮星のそばでも系外惑星が破壊されずに存在できることを初めて実証したことになります。

本研究成果は2020年9月17日（日本時間午前0時）、国際科学雑誌「Nature」にオンライン掲載されました。

※通常、木星の13倍以下の質量の天体を惑星と呼び、13倍を超える天体は褐色矮星と呼ぶため、褐色矮星の可能性もまだ残されているという意味で、本発表では巨大惑星候補と記載しています。

研究背景：

太陽の8倍程度より小さな質量を持つ恒星は、年老いて中心部での水素の核融合が終わると、水素でできた外層が地球の軌道あたりまで大きく膨らんだ「赤色巨星」という天体になります。そして最後に外層を放出し、後に残される「恒星の燃えかす」が白色矮星です。現在までに、太陽以外の恒星を公転する系外惑星は4,000個以上も発見されていますが、恒星が寿命を迎えた後に残る白色矮星の周りでは、惑星が破壊された後の残骸と考えられる微惑星が発見された例はあるものの、破壊されていない無傷のままの惑星はまだ発見されていませんでした。

研究内容：

現在、系外惑星の研究分野では、主に太陽系の近くにある恒星の周りの惑星を発見することを目指して、「トランジット」という現象を使いほぼ全天で系外惑星を探すNASAのトランジット惑星探索衛星TESS（Transiting Exoplanet Survey Satellite）による系外惑星探査が行われています。TESSは4台の超広視野カメラで24度×96度の領域（セクターと呼ばれる）を27.4日ずつ観測し、惑星が主星の前を通過する際に起きる周期的な減光（暗くなること）を探しています。

　TESSが2年目に行ったセクター19の観測で、研究チームは太陽系から約80光年のところにある白色矮星WD1856を含む領域（注6）の明るさが、約1.4日の周期で減光していることを発見しました。当初、TESSチームが使っている系外惑星発見のための自動判別プログラムは、この減光のシグナルを「惑星によるものではない」と判断しました。これは自動判別プログラムが恒星の周りの惑星のみを想定していて、白色矮星周りの惑星を想定していなかったためです。具体的には、恒星の周りのトランジット惑星であれば、トランジットによる減光が30分以上は続くはずなのに、この減光は約8分しか継続しなかったため、惑星ではないと判断されました。しかし、研究者が全ての減光のシグナルを目で確認するという過程で、白色矮星周りの惑星かもしれないと気づき、トランジット惑星候補として選び出されました。

　TESSで発見されたトランジット惑星候補に対しては、それが本物の惑星かどうかを確認するための追加の観測が行われます。この確認観測では、減光を起こしているのが本当にWD1856かどうかと、WD1856の減光量が可視光から赤外線の全ての波長で同じかどうかを調べる「多色トランジット観測」が行われました。これは、惑星は自ら光を放っていないため、どの波長でも惑星が隠した白色矮星の面積の割合だけ減光するためです。この確認観測は、Spitzer宇宙望遠鏡（この観測後の2020年1月に退役）と地上望遠鏡によって行われました。日本のチームは、自然科学研究機構アストロバイオロジーセンターの支援のもとで開発された多色同時撮像カメラMuSCAT2を用いて多色トランジット観測を行いました（図1参照）。

　この追加の多色トランジット観測の結果、減光しているのは確かにWD1856であり、観測された全ての波長で減光率がほぼ同一であることが確認されました。そして、WD1856 bは木星とほぼ同じ大きさを持ち、木星の13.8倍より質量が小さい巨大惑星候補である（褐色矮星である可能性を完全には否定できないものの、巨大惑星である可能性が高い）という結論が得られました。

　これまで白色矮星の周りでは、惑星が破壊された後の残骸と考えられる「微惑星」が公転している例は発見されていました。しかし、破壊されていない無傷の巨大惑星候補が発見されたのは初めてとなります。今回の発見は、白色矮星のそばでも系外惑星が破壊されずに存在する場合があることを初めて実証したことになります。

　WD1856 bの発見は、ひとつの面白い可能性を示唆します。それは白色矮星の周りにも無傷の生命居住可能惑星（表面に液体の水を保持できるような岩石惑星）が存在できる可能性です。もし岩石惑星がWD1856 bのように破壊されずに白色矮星の近くの「ちょうど良い」軌道に形成されることができたなら、その惑星は数十億年にわたって生命の生存に適した環境を得ることができると考えられます（注2参照）。

　さらに、実は白色矮星周りの生命居住可能惑星は、トランジットの際に惑星の大気を透過してくる光を観測することで、生命の兆候が存在するかどうかを調べるのに適したターゲットであることも知られています。具体的な見積りでは、WD1856のような白色矮星の周りに生命居住可能惑星があったとすると、2021年に打ち上げられる予定のNASAのジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）で5回トランジットを観測すれば、その惑星の大気中に水蒸気と二酸化炭素の分子を検出でき、25回トランジットを観測すれば、酸素、オゾンなどの生命の兆候と呼べるような分子も検出できると見積もられています。

　実際に白色矮星周りの生命居住可能惑星が発見されるかはこれからの探査次第ですが、今回のWD1856 bの発見はそのような惑星の可能性に光を当てるものと言えるでしょう。

本研究は、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）の支援を受けています。

論文情報：

雑誌名：Nature

論文タイトル：“A Giant Planet Candidate Transiting a White Dwarf ”

著者(*が責任著者)：

Andrew Vanderburg*, Saul Rappaport, Siyi Xu, Ian Crossfield, Juliette Becker, Bruce Gary, Felipe Murgas, Simon Blouin, Thomas Kaye, Enric Palle, Carl Melis, Brett Morris, Laura Kreidberg, Varoujan Gorjian, Caroline Morley, Andrew Mann, Hannu Parviainen, Logan Pearce, Elisabeth Newton, Andreia Carrillo, Ben Zuckerman, Lorne Nelson, Greg Zeimann, Warren Brown, Rene Tronsgaard, Beth Klein, George Ricker, Roland Vanderspek, David Latham, Sara Seager, Joshua Winn, Jon Jenkins, Fred Adams, Björn Benneke, David Berardo, Lars Buchhave, Douglas Caldwell, Jessie Christiansen, Karen Collins, Knicole Colon, Tansu Daylan, John Doty, Alexandra Doyle, Diana Dragomir, Courtney Dressing, Patrick Dufour, Akihiko Fukui, Ana Glidden, Natalia Guerrero, Kevin Heng, Andreea Henriksen, Chelsea Huang, Lisa Kaltenegger, Stephen Kane, John Lewis, Jack Lissauer, Farisa Morales, Norio Narita, Joshua Pepper, Mark Rose, Jeffrey Smith, Keivan Stassun, Liang Yu 

DOI番号：10.1038/s41586-020-2713-y

アブストラクトURL：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2713-y

用語解説：

注1：多色トランジット観測
　恒星の前を惑星が通過する、いわゆる「食」の現象のことを「トランジット」と言います。これは太陽系外惑星の軌道がたまたま主星の前を通過するような軌道の時に起こります。トランジットをする惑星を「トランジット惑星」と呼びます。そして、トランジットを複数の光の波長帯で観測することを、多色トランジット観測と呼びます。多色トランジット観測は、トランジット惑星の候補が本物の惑星かどうかを判別する方法として知られており、成田憲保教授はJSTさきがけの支援を受けて、多色トランジット観測により太陽系外の地球型惑星の探索を行なっています。

注2：白色矮星
　太陽の8倍程度より小さな質量を持つ恒星は、中心部での水素の核融合が終わると、水素でできた外層が地球の軌道あたりまで大きく膨らんだ「赤色巨星」という天体になり、最後に外層を外に放出します。白色矮星はその後に中心部に残される天体です。白色矮星はとても高密度な天体で、質量は太陽くらいあるのに対し、大きさは地球くらいしかありません。
　白色矮星は、できたばかりの頃は表面温度が10万度にもなる高温の天体ですが、その後は約20億年かけて太陽のような恒星と同じくらいの絶対温度6,000度程度（摂氏5,700度程度）になり、それから約80億年かけて絶対温度が4,000度程度にまでゆっくりと下がります。
　白色矮星は地球くらいの大きさしかないため、恒星くらいの表面温度でも放出する光のエネルギーは恒星に比べてとても小さく、白色矮星周りの生命居住可能惑星の公転周期は10時間程度より短くなります。そのため、白色矮星の周りの公転周期10時間程度より内側の軌道に岩石惑星が存在したとすると、その惑星は生命居住可能惑星として数十億年の時間を過ごすことができるのです。

注3：トランジット惑星探索衛星TESS
　マサチューセッツ工科大学が中心となって進めているNASAの衛星計画。2018年4月18日に打ち上げられ、2年間でほぼ全天のトランジット惑星を探索するという計画を実施してきました。2年間の観測で2000個以上のトランジット惑星候補を発見しています。現在は延長計画が認められ、3年目の観測が行われています。

注4：MuSCAT2
　自然科学研究機構アストロバイオロジーセンターの支援のもと、成田教授と福井特任助教らが開発した多色同時撮像カメラ。スペインのテネリフェ島のテイデ観測所にある口径1.52mのカルロス・サンチェス望遠鏡に設置されています。青い光（400nm-550nm）、赤い光（550nm-700nm）、近赤外線の2つの波長帯の光（700nm-820nm、820nm-920nm）の計4色で天体を同時に観測することができ、TESSで発見されたトランジット惑星候補が本物の惑星かどうかを判別する観測に用いられています。

注5：WD1856（WD1856+534）
　WD1856は、りゅう座の方向、太陽系から約80光年の距離にある白色矮星で、2つの赤色矮星G 229-20 AとG 229-20 Bとともに3重連星系を成しています。3重連星系としての年齢は正確にはわかっていませんが、WD1856は現在の年齢から逆算して、約60億年前に白色矮星になったと見積もられています。

　WD1856は表面温度が摂氏4,400度程度で、質量は太陽の半分程度なのに対し、大きさは地球の1.4倍程度（太陽の80分の1程度）しかありません。白色矮星が発する光のエネルギーはとても小さいため、周期1.4日にあるWD1856 bの表面温度は摂氏マイナス110度程度と、太陽系の木星のような低温になっていると考えられます。

注6：WD1856を含む領域
　ここで領域と言っているのは、TESSは超広視野であるがために、検出器の1ピクセルがカバーする視野が広く、同じピクセルの中に他の明るい恒星も混ざってしまっていたため、WD1856が減光しているとは断定できなかったためです。

関連リンク：

東京大学プレスリリース

科学技術振興機構(JST)プレスリリース

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概要：

　自然科学研究機構アストロバイオロジーセンター、東京大学、科学技術振興機構、国立天文台、カナリア天体物理研究所などの研究チームは、第二の地球を発見するための新しい多色同時撮像カメラMuSCAT2を開発し、世界有数の天文観測最適地として知られるスペイン・テネリフェ島のテイデ観測所にある1.52m望遠鏡(カルロス・サンチェス望遠鏡)に設置しました。

　MuSCAT2は、2018年4月に打ち上げられたNASAのトランジット（注釈１）惑星探索衛星TESS（注釈２）で発見された惑星候補が、本物の惑星かどうかを確認することを主目的とした観測装置です。研究チームはこの装置の性能を評価するため、実際に既知の惑星のトランジットを観測し、最新の統計手法を取り入れた解析を行いました。その結果、MuSCAT2が 世界最高レベルの測光精度(明るさの変化を調べる精度)を4色同時に達成できることを実証しました。この測光精度は、TESSで発見された太陽系近傍の赤色矮星（注釈３）を公転する第二の地球たち(生命居住可能惑星)の発見確認を行うことも可能な精度です。　さらに、アストロバイオロジーセンターとカナリア天体物理研究所の間で締結された協定により、2022年まで年間162夜以上のMuSCAT2の観測時間が確保されました。テイデ観測所の晴天率は7割程度であり、これは年間100個以上の惑星の発見確認観測が実施できることに相当します。これから始まるTESSの時代に、MuSCAT2によって科学的に面白い惑星たちが数多く発見されることにご期待下さい。

発表のポイント：

• 4つの波長帯(4色)で同時に天体の明るさの変化を観測できる多色同時撮像カメラMuSCAT2が完成した
• 試験観測の結果、世界最高レベルの測光精度を4色で同時に達成した
• 2018年4月に打ち上げられたNASAのトランジット惑星探索衛星TESSと連携することで、太陽系近傍の赤色矮星を公転する第二の地球たちの発見が期待できる

背景：

　2018年までに、約4000個もの系外惑星が太陽以外の恒星に発見されています。特に2009年に打ち上げられたNASAのトランジット惑星探索衛星ケプラーは、2018年11月に運用が終了するまでに、惑星が主星の前を通り過ぎる「トランジット」という現象を用いて、約3000個もの系外惑星を発見してきました。

　ケプラーの活躍により、宇宙には地球に近いサイズの惑星たちが豊富に存在することがわかり、主星からの距離がちょうどよく表面に液体の水が保持されるような生命居住可能領域にある惑星も発見されてきました。しかし、ケプラーが主に発見したのは太陽系から数百光年以上離れた惑星系たちで、惑星が存在することや全体としての統計的な性質はわかっても、個々の惑星の性質を詳しく調べるのは困難でした。

　そこで、より太陽系に距離が近い惑星系たちを発見するために、新たなトランジット惑星探索衛星TESSが2018年4月に打ち上げられました。TESSは24° × 24°という非常に視野の広いカメラを4台搭載した衛星で、今後2年間で全天の80%以上の領域を観測し、太陽系に近い惑星系を数千個発見すると見込まれています。その中には地球型惑星と考えられる惑星が数百個含まれ、生命居住可能領域にある惑星も数十個あると期待されています。　しかし、トランジット法で発見される惑星候補には本物の惑星だけではなく、恒星が別の恒星の前を通過する食連星という偽物が混じっています。そのため、これからTESSによって数千個という惑星候補が発見される中で、本物の惑星と偽物の食連星を効率的に見分けること(発見確認観測という)が研究上の課題となっていました。

研究内容：

　自然科学研究機構アストロバイオロジーセンター、東京大学、科学技術振興機構、国立天文台、カナリア天体物理研究所などの研究チームは、可視光から近赤外光にかけての4色で同時に天体の明るさの変化を観測することができる多色撮像カメラMuSCAT2を開発し、世界有数の天文観測最適地として知られるスペイン・テネリフェ島のテイデ観測所にある1.52m望遠鏡(カルロス・サンチェス望遠鏡)に設置しました(図1、図2)。

　MuSCAT2は、2018年4月に打ち上げられたNASAのトランジット惑星探索衛星TESSで発見された惑星候補が、本物の惑星かどうかを確認する(発見確認する)ことを主目的とした観測装置です。研究チームはこの装置の性能を評価するため、実際に既知の惑星のトランジットを観測し、最新の統計手法を取り入れた解析を行いました。その結果、MuSCAT2が 世界最高レベルの測光精度(明るさの変化を調べる精度)を4色同時に達成できることを実証しました(図3)。この測光精度は、TESSで発見された太陽系近傍の赤色矮星を公転する第二の地球たち(生命居住可能惑星)の発見確認を行うことも可能な精度です。　さらに、アストロバイオロジーセンターとカナリア天体物理研究所の間で締結された協定により、2022年まで年間162夜以上の望遠鏡時間がMuSCAT2のために確保されました。テイデ観測所の晴天率は7割程度であり、これは年間100個以上の惑星の発見確認観測が実施できることに相当します。これにより、これから始まるTESSの時代に、MuSCAT2によって第二の地球たちを始めとする科学的に面白い惑星たちが数多く発見されることに期待が持てます。

本研究の意義：

　TESSは2018年現在南天の観測を実施していますが、2019年夏頃からは北天の観測を開始します。MuSCAT2の完成により、本研究チームはTESSの北天の観測で発見される惑星候補の発見確認観測で世界をリードすることが可能となりました。

　本研究チームは、以前にも国立天文台が岡山県に所有する1.88m望遠鏡向けに3色同時撮像カメラMuSCATを開発してきました。岡山とテネリフェ島は時差が9時間あり、このように時差がある場所に観測装置を設置することで、お互いが観測できない時間帯に起こるトランジットを相補的に観測することが可能になります。また、トランジットが長時間にわたって一ヶ所では観測できない場合にも、岡山とテネリフェ島で連続的に観測をすることで長時間のトランジットをカバーすることが可能となります。

　このように世界に複数の多色撮像カメラを持つ研究チームは他にないため、大量の発見確認観測が必要となるTESSの時代にMuSCATとMuSCAT2の存在は大きなアドバンテージになると期待されます。

今後の展開：

　本研究チームは、2019年夏頃までに24時間常に多色撮像観測ができる体制を確立することを目指して、アメリカの望遠鏡向けにMuSCAT3の開発に着手しています。MuSCAT3が完成すれば、どんな周期の惑星であっても3台の観測装置の連携で発見確認観測を実施できるようになります。

　これにより2019年夏頃から始まるTESSの北天の観測で世界をリードし、特に第二の地球候補の発見確認観測を一手に担うことを目指しています。TESS時代のMuSCATシリーズの大きな活躍にご期待ください。

用語解説：

注釈１　トランジット
惑星が恒星の前を通ることで、恒星の明るさが周期的に暗くなる現象。明るさの変化を長期的に観測することで惑星を見つける方法をトランジット法、トランジットをする惑星をトランジット惑星と呼びます。

注釈２　TESS
2018年4月18日に打ち上げられたNASAのトランジット惑星探索衛星。2009年に打ち上げられた同様の衛星ケプラーに比べて口径は小さいものの、より広い観測視野を持ち、ケプラーより太陽系に近いところにあるトランジット惑星を発見するのに適しています。一方で、ケプラーより広い視野を持つために偽物である食連星の混入も多くなると見込まれ、発見確認観測が欠かせません。

注釈３　赤色矮星
絶対温度がおよそ3,800K以下の恒星の総称。約5,800Kである太陽と比べて表面温度が低く、私たちの目に見える可視光では暗いものの、近赤外線になると明るくなるという特徴があります。太陽系の近傍にある恒星も含めて、宇宙にある恒星の7-8割は赤色矮星であり、今後の太陽系近傍の生命居住可能惑星探索の主要なターゲットとなっています。

＜掲載論文情報＞

掲載雑誌名：Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems 

論文タイトル：MuSCAT2: 4-color Simultaneous Camera for the 1.52m Telescopio Carlos Sanchez 

論文著者(*が責任著者)：

*Norio Narita, Akihiko Fukui, Nobuhiko Kusakabe, Noriharu Watanabe, Enric Palle, Hannu Parviainen, Pilar Montanes-Rodriguez, Felipe Murgas, Matteo Monelli, Marta Aguiar, Jorge Andres Perez Prieto, Alex Oscoz, Jerome de Leon, Mayuko Mori, Motohide Tamura, Tomoyasu Yamamuro, Victor J. S. Bejar, Nicolas Crouzet, Diego Hidalgo, Peter Klagyivik, Rafael Luque, Taku Nishiumi

＜研究グループ＞

　東京大学、科学技術振興機構、アストロバイオロジーセンター 、国立天文台、カナリア天体物理観測所ほか

＜研究サポート＞

本研究は、JSPS科研費 JP18H01265, JP17H04574, JP16K13791, JP15H02063 の助成と、JSTさきがけ JPMJPR1775 の支援を受けたものです。

関連リンク：

国立天文台プレスリリース

東京大学プレスリリース

科学技術振興機構（JST）プレスリリース

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