宇宙望遠鏡が「いびつな異星」を捉えた――太陽系外惑星の新しい観測法
ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）の赤外線カメラの高い分解能が、従来の観測法では見えなかった太陽系外惑星の真の姿を明かした。コーネル大学とブリストル大学の研究チームが『ネイチャー・アストロノミー』誌に発表した論文によれば、惑星WASP-17 bの大気は完全な球形ではなく、極端に非対称な「卵形」をしている。
これまでの太陽系外惑星の研究では、トランジット分光法（transmission spectroscopy）が用いられてきた。この手法は、惑星がその母星の手前を通過する際に、星の光が惑星の大気を通り抜ける様子を分析し、惑星全体の大気化学組成を平均化された像として捉えるもの。惑星全体の特性は把握できるが、朝の側と夜の側、あるいは極地での大気の違いまでは追跡できなかった。
ブリストル大学のリリ・アンダーソン氏が率いるチームは、こうした限界を乗り越えるため「トランジション・ストリングス」（transmission strings）と呼ぶ新しい手法を採用した。専用モデリングソフト「ハーモニカ」を用いて、惑星の輪郭を静的な円ではなく調整可能なループとして扱い、惑星が通過する際の大気厚さの変化を異なる角度から測定している。JWSTの赤外線カメラはこのような精密な観測に最適な機器だった。
朝と夜の気温差が大気を極端に膨張させる
WASP-17 bは2009年に発見されて以来、太陽系外惑星の研究者たちから注目を集めてきた惑星である。さそり座の方向、地球から約1300光年の距離に位置し、木星型惑星のきわめて極端な例「ホット・ジュピター」に分類される。公転周期はわずか4日で、木星の約半分の質量しかないのに直径は木星の約2倍に膨張しており、発泡スチロール並みの低密度をしている。
この惑星は潮汐ロック状態にあるため、昼面と夜面の温度差が極めて大きい。朝の側では858ケルビン、夜間の終端部では1522ケルビンと、実に650ケルビンもの差が生じている。熱せられたガスは膨張する物理法則に従い、この温度差は大気の形状を劇的に変える。観測結果によれば、より高温の夜間の終端部では、大気が朝の側の1.8倍まで膨張していた。
強力な大気循環が化学物質の分布を左右する
潮汐ロック惑星では赤道に沿って強力なジェット気流が東向きに流れ、昼間に熱せられた気体を夜間側へ運搬する。この気体は暗い夜間側で冷却され、大気が収縮する。しかし研究論文が示すところでは、こうした激しい大気循環にもかかわらず、水蒸気と二酸化炭素は惑星全周で比較的均等に分布している。
一方、メタンと二酸化硫黄については極地で化学組成の変化が見られる。これらの物質はジェット気流から離れた領域でより安定に存在しやすいと見られる。WASP-17 bはこれまでも、日面の赤外線輻射の測定、夜間側からの熱放射の観察、上層大気に浮かぶ石英結晶の検出など、複数の観測手法の対象となってきた。今回の大気サイズと化学組成の詳細な地図は、太陽系外惑星の大気についてこれまでで最も完全な三次元像を完成させた。
出典: Universe Today
