ウェッブは岩石系外惑星の厚い二酸化炭素大気を除外します

ウェッブは岩石系外惑星の厚い二酸化炭素大気を除外します
国際的な研究者チームは、NASAのジェームズウェッブ宇宙望遠鏡を使用して、岩石系外惑星TRAPPIST-1 cから来る熱エネルギーの量を計算しました。結果は、惑星の大気が存在するとしても、非常に薄いことを示唆しています。

前景に大きな岩石系外惑星、背景に小さな岩石系外惑星、中央に赤い矮星のイラスト。
このアーティストのコンセプトは、この作品に基づいて、熱い岩石系外惑星TRAPPIST-1 cがどのように見えるかを示しています。TRAPPIST-1 cは、TRAPPIST-1システムの７つの既知の惑星のうちの２番目であり、0.016AU(約150万マイル)の距離で星を周回し、わずか2.42地球日で1周を完成させます。TRAPPIST-1 cは地球よりわずかに大きいですが、密度はほぼ同じであり、岩石の組成を持っている必要があることを示しています。TRAPPIST-1 cが放出する15ミクロンの中赤外光のウェッブの測定は、惑星がむき出しの岩石表面または非常に薄い二酸化炭素大気のいずれかを持っていることを示唆しています。
クレジット:NASA、ESA、CSA、Joseph Olmsted(STScI)
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日中の温度は約380ケルビン(摂氏107度)で、TRAPPIST-1 cは現在、熱放射に基づいてこれまでに特徴付けられた中で最も冷たい岩石系外惑星です。これらの測定に必要な精度は、私たちの太陽系とサイズと温度が似ている岩石系外惑星の特性評価におけるウェッブの有用性をさらに示しています。

この結果は、銀河系で最も一般的なタイプの星であるTRAPPIST-1のような小さな赤色矮星を周回する惑星が、私たちが知っているように生命を維持するために必要な大気を維持できるかどうかを決定するための別のステップを示しています。

「私たちは、岩石惑星に大気があるかどうかを知りたいのです」と、ドイツのマックスプランク天文学研究所の大学院生であり、本日Natureに掲載された結果の筆頭著者であるセバスチャンジーバは述べています。「過去には、私たちは実際に研究することができたのは、厚く水素が豊富な大気を持つ惑星だけでした。ウェッブがあれば、ようやく酸素、窒素、二酸化炭素が支配的な大気を探し始めることができます。」

「TRAPPIST-1 cは基本的に金星の双子であるため興味深いです。金星とほぼ同じサイズで、金星が太陽から受けるのと同じ量の放射線を主星から受け取ります」と、同じくマックスプランクの共著者であるローラクレイドバーグは説明しました。金星のような厚い二酸化炭素の大気を持つことができると考えました。」

TRAPPIST-1 cは、地球から40光年離れた超低温赤色矮星(またはM矮星)を公転する7つの岩石惑星の1つである。これらの惑星は、私たちの太陽系の内側の岩石惑星と大きさと質量が似ていますが、実際に同様の大気を持っているかどうかは明らかではありません。M型矮星は、生涯の最初の10億年の間に、若い惑星の大気を簡単に取り除くことができる明るいX線と紫外線を放出します。さらに、惑星が形成されたときに、実質的な大気を作るのに十分な水、二酸化炭素、およびその他の揮発性物質が利用可能であった場合となかった場合があります。

これらの疑問に対処するために、チームはMIRI(ウェッブの中赤外線装置)を使用して、惑星が星の後ろに移動するときにTRAPPIST-1システムを4回別々に観測しました。惑星が恒星の後ろにあるとき(星の光のみ)と、惑星が星の後ろにあるときの明るさ(星と惑星の光を合わせたもの)を比較することで、惑星の昼側から発せられる波長15ミクロンの中赤外光の量を計算することができました。


インフォグラフィック「ロッキー系外惑星TRAPPIST-1 c二次日食光度曲線、MIRI時系列測光(F1500W)」は、星惑星系が放出する15ミクロンの光の明るさが約2時間にわたって変化した様子を示しています。
この光度曲線は、1番目の惑星TRAPPIST-1 cが恒星の背後方を移動したときのTRAPPIST-1系の明るさの変化を示している。この現象は二次日食として知られています。天文学者は、ウェッブの中間赤外線機器(MIRI)を使用して、中赤外光の明るさを測定しました。惑星が星のそばにあるとき、星と惑星の昼側の両方から放出された光が望遠鏡に到達し、システムはより明るく見えます。惑星が星の後ろにあるとき、惑星から放出された光は遮断され、星の光だけが望遠鏡に到達するため、見かけの明るさが低下します。
クレジット:NASA、ESA、CSA、Joseph Olmsted(STScI)
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この方法は、他の研究チームが、系内の最も内側の惑星であるTRAPPIST-1 bにはおそらく大気がないと判断するために使用した方法と同じです。

惑星が放出する中赤外光の量は、その温度に直接関係しており、温度も大気の影響を受けます。炭酸ガスは15ミクロンの光を優先的に吸収し、その波長で惑星を暗く見せます。ただし、雲は光を反射して惑星を明るく見せ、二酸化炭素の存在を隠すことができます。

さらに、あらゆる組成の実質的な大気は、昼側から夜側に熱を再分配し、昼側の温度を大気がない場合よりも低くします。(TRAPPIST-1 cは恒星に非常に近い軌道を回っているため、約1/50の金星と太陽の間の距離–片側が永遠の日光にあり、もう一方が無限の暗闇にある、潮汐ロックされていると考えられています。

これらの初期測定は、TRAPPIST-1 cの性質に関する決定的な情報を提供しませんが、可能性を絞り込むのに役立ちます。「私たちの結果は、惑星が大気のないむき出しの岩であるか、または惑星が非常に薄いCOを持っていることと一致しています。2雲のない大気(地球や火星よりも薄い)」とジーバは言った。「惑星に厚いCO2大気があった場合、私たちは本当に浅い二次日食を観察したか、まったく観察しなかったでしょう。これは、CO2が15ミクロンの光をすべて吸収するので、惑星から来るものを検出することはありません。」

データはまた、惑星が厚いCO2を持つ真の金星アナログである可能性は低いことを示しています大気と硫酸雲。

厚い大気がないことは、惑星が比較的少ない水で形成された可能性があることを示唆しています。より低温で温暖なTRAPPIST-1惑星が同様の条件下で形成された場合、それらも惑星を居住可能にするために必要な水やその他の成分がほとんどない状態で始まった可能性があります。

このような小さな惑星のさまざまな大気シナリオを区別するために必要な感度は、本当に注目に値します。ウェッブが二次日食中に検出した明るさの減少はわずか0.04パーセントでした:10,000個の小さな電球のディスプレイを見て、たった4個が消えたことに気づくのと同じです。

1ミクロンの光の明るさのグラフィック「ロッキー系外惑星TRAPPIST-1500 c発光スペクトル、MIRI時系列測光(F15W)」をxyグラフにプロットし、日食の深さと波長(ミクロン単位)で、比較のために3つのシミュレートされた発光スペクトル。
このグラフは、TRAPPIST-1 cの測定された輝度を、8つの異なるシナリオでシミュレートされた輝度データと比較したものです。測定(赤いひし形)は、大気のないむき出しの岩石表面(緑の線)または雲のない非常に薄い二酸化炭素雰囲気(青い線)と一致しています。金星(黄色の線)のような硫酸雲を伴う厚い二酸化炭素が豊富な大気はありそうもない。
クレジット:NASA、ESA、CSA、Joseph Olmsted(STScI)
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「これを測定できるのは並外れたことです」とKreidberg氏は述べています。「岩石惑星が大気を維持できるかどうかについて、何十年もの間疑問がありました。ウェッブの能力は、これまでにない方法で太陽系外惑星系を比較し始めることができる体制に私たちを本当に導きます。」

この研究は、TRAPPIST-2304システムを完全に特徴付けるのに役立つように設計されたウェッブの科学の最初の年の1つのプログラムの1つであるウェッブの一般オブザーバー(GO)プログラム1の一部として実施されました。来年、研究者はTRAPPIST-1bとTRAPPIST-1cの全軌道を観測するための追跡調査を実施します。これにより、2つの惑星の昼間から夜側に温度がどのように変化するかを確認できるようになり、大気があるかどうかについてさらに制約が与えられます。

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、世界有数の宇宙科学天文台です。ウェッブは私たちの太陽系の謎を解き明かし、他の星の周りの遠い世界を超えて見て、私たちの宇宙の神秘的な構造と起源、そしてその中での私たちの場所を調査します。ウェッブは、NASAとそのパートナーであるESA(欧州宇宙機関)、およびCSA(カナダ宇宙機関)が主導する国際プログラムです。MIRIはNASAとESAによって提供され、機器はアリゾナ大学と提携して、国の資金によるヨーロッパの研究所(MIRIヨーロッパコンソーシアム)とNASAのジェット推進研究所のコンソーシアムによって設計および製造されました。

最終更新日: Jun 20, 2023
タグ: 太陽系外惑星, ゴダード宇宙飛行センター , ジェームズウェッブ宇宙望遠鏡, 宇宙