系外惑星の発見と観測

2016年2月3日

太陽系外惑星(系外惑星)とは何か、ご存知ですか?「地球に似た惑星」という定義が広く知られていますが、厳密には「太陽以外の恒星の周りを回っている惑星」のことを言います。

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系外惑星とは

天体を惑星と呼ぶことができるのは、3つの条件を満たす場合です。第1に、恒星の周りを回っていること。太陽以外の恒星の周りを回っている天体であれば、それが系外惑星です。もっとも、地球が属する太陽系をよく見てみると、太陽の周りを回っている物体が他にも多数あることがわかります(たとえば小惑星帯と呼ばれるものなど)。

このことから第2の条件が導かれます。惑星とは、質量が恒星よりも小さいが、小惑星よりは大きく、自身の重力で周回できるほど大きいものを言います。

最後に第3の条件は、地球と同様に、同じ軌道上に他の天体がないこと。2006年に冥王星が格付けを下げられ、現在は準惑星とされているのは、この条件を根拠としています(英語記事)。

星の数は非常に多いため、系外惑星も数多く存在するのだろうと考える人がいるかもしれませんが、現時点で確認されている系外惑星の数は2,000個程度にすぎません。系外惑星の観測が始まったのはごく最近、わずか20年前のことです。

また、天文学者がどのようにして最初の系外惑星の発見に至ったのか、詳しいことはわかっていません。1995年にスイスの科学者マイヨール(Mayor)氏とクロ(Kelos)氏の2人が、ペガスス座51番星を周回する、木星に似た惑星があることを証明したのが最初の発見とされています。

系外惑星を探す方法

第1に、観測している恒星の動きを追跡する方法があります。恒星と惑星の間に相互作用があることは知られています。厳密に言うと、単に惑星が恒星の周りを回っているのではなく、恒星系全体が、恒星の中心に近いところにある共通重心の周りを回転しているのです。

惑星自体は小さすぎるため、付近に存在する地球からも衛星からも惑星パラメーターを調査することはできませんが、恒星の放出スペクトルを解析することはできます。恒星の動きに連動して、放出スペクトルにはいわゆるドップラー効果が現れます。長期間にわたってスペクトルを分離、測定すると、恒星の自転周期を算出することができます。恒星の質量と自転周期を割り出せば、惑星の質量を算出できます。これで、系外惑星を発見できました!実際、現在知られている系外惑星の半数は、この方法で発見されました。

第2の方法は、さらに単純に見えますが、実際は難しい方法です。惑星が恒星の円盤を横切る際にできる影を観測することから始めます。観測対象の惑星の軌道面と望遠鏡を一直線に並べていれば、いずれは惑星が恒星の円盤を横切り、その際に恒星の一部が隠れ、減光が観測されるはずです。

ただしこの方法には欠点があります。第1に、明るさの減少はわずか0.0002%にすぎないため、極めて精度の高い機器が必要になります。第2に、恒星の表面の色がところどころ濃くなっている場合があるため、惑星が横切る際の影と間違える恐れがあります。第3に、宇宙に残された残骸なども恒星の明るさに影響することがあり、その場合は正しい観測結果を得られないことになります。

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その他にマイクロレンズ効果を利用した方法もあります。重力の法則に従い、物体の周囲の空間は歪みが生じます。天体が大きければ大きいほど、歪みも大きくなります。その結果、質量の大きい物体が観測者と観測対象の物体の間を通過すると、それによって生じる歪みによって、観測対象の物体の明るさが閃光のように一瞬強まる現象が認められます。

この閃光が認められるのは、通過する物体の輝きが弱い時だけです。この観測方法に適した条件が揃うことは非常に稀なため、天文学者は数多くの恒星を同時に観測し続け、そのうちのどれかで閃光が見られるチャンスを待つしかありません。この観測方法は、デジタルカメラにも搭載されているCCD技術が発明されたことによって可能になりました。

マイクロレンズ法が天文学者にとって使いやすい方法である理由はいくつかあります。第1に、信頼性が高いこと、第2に、系外惑星の観測に使用する望遠鏡を星の軌道面と一直線に並べる必要がないことが挙げられます。

第4の発見方法は、ちょっと変わっていながらも確実に結果を得られるもので、タイミングを利用して系外惑星の存在を確認する方法です。恒星の周期的な活動を観測していると、何らかの理由で周期が乱れることがあります。この理由こそ単純明快で、恒星の活動に影響を与える別の天体の存在です。これがおそらく系外惑星だと推定できます。特に、厳密な周期を守って動く二重星やパルサーを周回する系外惑星の発見に適した方法です。

上記の他にも、それほど広く使用されていない発見方法がいくつかあります。たとえば、恒星の正確な位置を測定する方法や、望遠鏡で捉えた画像に写っている惑星のような物体を直接観測する方法などです。

系外惑星に私たちが興味を引かれるわけ

理由は主に2つあります。まず、人類は常に宇宙とその謎に引き付けられてきました。技術が進歩すると、すぐにその技術を利用して天体についてもっと多くのことを知ろうとします。星についても然り、銀河系についても然りで、惑星も例外ではありません。

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また、人類は常に、地球外生命が存在するかどうかに強い関心を寄せています。地球外生命が存在するとしたらどこかという話になると、決まって候補に挙がるのが系外惑星です。「ハビタブルゾーン」内で系外惑星が発見されるたびに大きなニュースになり、おそらくそのせいで、多くの人が系外惑星を「地球に似た惑星」と考えています。「ハビタブルゾーン」とは、恒星を取り巻く空間のうち、温度が低すぎも高すぎもせず、液体の水で有機生命体を維持できる領域を言います。

この「温度が低すぎも高すぎもしない」という条件から、系外惑星と恒星の間の距離が一定の範囲内に絞られます。系外惑星の反射スペクトルを解析すれば、その惑星に液体の水が存在するかどうかを判断できます。あいにく、現在の技術で特定の惑星パラメーターから推定できることは、十分に正確とは言えない段階です。

たとえば、比較的最近のことですが、ケプラー宇宙望遠鏡によって白鳥座と天秤座の境界線上に位置する系外惑星が発見され、ケプラー452bと名付けられました(英語記事)。メディアはすぐさまこれを「新しい地球」と命名しました。

ケプラー452bは、太陽よりも10%だけ重い恒星を周回しています。公転周期は385日で、軌道半径も地球と同じくらいです。堅い地表があり、地球に比べて60%大きい質量を持っています。要するに、地球に非常によく似た惑星なのです。

ここまでは朗報ですが、1つだけ残念な点があります。ケプラー452bは地球から1,400光年離れているのです。(太陽以外で)地球に最も近い星の距離がちょうど4.2光年と言えば、どのくらいか想像できると思います。それでも、ケプラー452bに生命が居住可能かどうかを解明することは非常に興味深い研究になるでしょう。もし地球外生命が本当に生きられるとしたら、と想像してみると面白いですね。