夕方の方が朝より熱い! JWSTが見た灼熱惑星WASP-121bの秘密

シルミー

はかせ、宇宙の惑星って朝と夕方で温度が違うことがあるの?

はかせ

鋭いですね。実は最新の観測で、灼熱の系外惑星WASP-121bの夕方が朝より熱いと分かったんです

マックス・プランク天文学研究所などのチームが、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST)でこの惑星の大気を精密に調べた。昼夜の境界にある「朝側」と「夕側」で大気の温度や成分がはっきり違うことが、観測データから初めて確認された。

朝と夕で別世界 — 灼熱惑星WASP-121bの正体

昼側2500度・夜側725度の極限環境

WASP-121bは「ホットジュピター」と呼ばれる、太陽系外で見つかる巨大ガス惑星のひとつだ。木星に近い大きさを持ちながら、主星の真横をかすめるようなギリギリの軌道を回っている。

距離が近すぎるため、表面の温度はとんでもないことになっている。昼側の平均気温は約2770ケルビン(摂氏約2500度)、対して夜側は約1000ケルビン(摂氏約725度)。鉄が溶けるどころか、岩石まで蒸発するレベルの世界だ。

その温度差は1775度にも達する。地球で言えば赤道と北極の差はせいぜい70度ほどなので、いかに極端な惑星かがイメージできる。

潮汐ロックが生んだ「永遠の昼」と「永遠の夜」

これほど主星に近いと、惑星の自転と公転が同じ周期に固定される現象が起きる。これを潮汐ロックと呼ぶ。地球から見る月がいつも同じ面しか見せないのと同じ仕組みだ。

結果としてWASP-121bでは、片方の半球が永遠に主星を向き、反対の半球は永遠に冷たい宇宙を向くことになる。昼側はずっと焼かれ続け、夜側はずっと熱を逃がし続けるという状態だ。

その昼と夜のちょうど境目にあたる細い帯状の領域が、今回の主役である「ターミネーター」だ。地球で言うところの朝焼け・夕焼けが起きる場所にあたる。研究チームは、このターミネーターを朝側(モーニング・ターミネーター)と夕側(イブニング・ターミネーター)に分けて観測した点で、過去の研究と一線を画している。

JWSTが見抜いた朝と夕の決定的な違い

NIRSpec分光器が「惑星の影」を読み解く

使われたのはJWSTに搭載されたNIRSpec(近赤外線分光器)という装置だ。波長0.6〜5マイクロメートルの近赤外線を一度にまとめて分光できる、JWSTの主力科学機器のひとつである。

系外惑星の本体は主星に比べて何百万倍も暗く、直接撮影するのは難しい。そこで研究者は、惑星が主星の手前を横切る「トランジット」と呼ばれる瞬間を狙う。星の光が惑星の大気をすり抜けて地球に届く、ごく短い時間に出るわずかな変化を捉えるのだ。

分子はそれぞれ決まった波長の光を吸収する。光をプリズムで虹色に分けるように分光すれば、大気にどんな物質がどのくらい含まれるかを読み取れる仕組みだ。地球から見れば点でしかない惑星の大気組成を、星の光を借りて間接的に「味見」しているようなものだ。

夕側の方が光を多く吸収していた

これまでのWASP-121b観測でも、平均的な大気温度や成分はある程度把握されていた。共著者のTom Evans-Somaは過去にこの惑星の昼夜の温度差を測定しており、その蓄積データが今回の解析の足場になった。

普通、トランジット観測では数時間にわたる全データを平均してしまう。だが今回、マックス・プランク天文学研究所のCyril Gappらはトランジット中の時刻ごとに信号を分けて解析した。統計的にも、時刻ごとの変化を許す解析の方が、平均化したモデルより観測データに格段によく合うことが示されたという。

WASP-121bは1回のトランジットの間に約30度自転する。この自転を利用すると、トランジット開始直後は朝側、終了直前は夕側の大気を観測しているという「順番」が生まれる。時刻別の信号を切り出せば、片側だけを見られるわけだ。

結果、夕側のターミネーターは朝側より光を多く吸収していた。これは夕側の大気がより高温で膨張しているため、主星の光を遮る「面積」が広くなっていると解釈できる。膨らんだ大気ほど厚くなり、光をたくさん吸収するということだ。

水分子が引きちぎられるほどの灼熱

同時にNIRSpecは、夕側の方が一酸化炭素(CO)の吸収が強いこと、そして水(H2O)の吸収が逆に弱いことを見抜いた。

一酸化炭素が増えたのではなく、温度が上がると同じ分子でも吸収パターンが変わるためだと研究チームは指摘する。一方で水の方は、夕側の上層大気の温度が高すぎて水分子そのものが水素と酸素にバラバラになっている可能性が高い。鍋で水を熱すれば蒸発するが、ここではその先まで進んで分子の結合まで切れている、という凄まじい話だ。

なぜ夕方だけが熱くなるのか

東向きに吹く猛烈な大気の風が犯人

朝側と夕側の差を生んでいる主役は、惑星規模の大気循環だと考えられている。WASP-121bでは、焼かれっぱなしの昼側にたまった熱が、自転と同じ向き(東向き)に吹く強い風によって移動する。

風は昼側の熱を抱えたまま夕側へと流れ込み、夕側のターミネーターは「主星の熱+運ばれてきた熱」のダブルパンチで温度が上がる。膨らんだ大気が観測に見えていた、というシナリオだ。逆に朝側は夜側から流れてきた冷えた空気を受けるため、夕側よりも低温になる。

この描像はこれまで理論モデルで予言されてきたが、観測でここまでクリアに裏付けられたのは今回が初めてだ。

足りないのは「鉱物の雲」かもしれない

ただし、観測された朝と夕の差は、研究チームが組んだ大気シミュレーションが予測した値より大きかった。何かが朝側をさらに冷やしている可能性がある。

有力候補が、シリケート(ケイ酸塩)鉱物でできた雲だ。地球の雲は水滴だが、灼熱の系外惑星では水は雲にならず、代わりに溶けた岩石の粒子が空に浮かぶと予想されてきた。

朝側のやや低温な領域にこの鉱物雲が広がっていれば、下層の熱い光を遮って見かけ上の温度をさらに下げる効果を生む。チームがモデルに雲の効果を組み込むと、観測値とよく一致するようになったという。

WASP-121bの大気では岩石を構成する元素まで気体として漂っている。温度がほんの少し下がる場所では、その気体が再び凝縮して微粒子になる。これが「鉱物の雲」の正体だと考えられている。雲がつくられ、流され、蒸発するというサイクルを高速で起こす環境はモデル化が難しく、現在のシミュレーションの多くは雲の物理を簡略化している。今回の結果は、その「足りていない物理」の存在を観測から指し示した格好だ。

次の標的は別のホットジュピターたち

研究を主導したCyril GappとTom Evans-Soma(豪ニューカッスル大学)らは、同じ手法を他のホットジュピターにも適用しようと計画している。観測はJWSTのGOプログラム#1729「A NIRSpec Phase Curve for the ultrahot Jupiter WASP-121b」として実施された。あわせて、GTOプログラム#1201「NIRISS Exploration of the Atmospheric diversity of Transiting exoplanets(NEAT)」のデータも併用されている。

研究チームにはドイツのハイデルベルク大学、フランスのソルボンヌ大学・ボルドー大学・コートダジュール大学、米国のジョンズ・ホプキンス大学、オーストラリアのクイーンズランド大学など、世界各国の天文学者が名を連ねた。

系外惑星研究はもはや「ある・ない」の段階を超え、大気を経度ごとに分けて立体的に調べる時代に入った。地球からは点でしか見えない遠い世界の朝と夕の表情の違いまで、観測で具体的に語れる段階に入りつつある。今回の手法を他のホットジュピターに広げれば、似た条件の惑星同士でも風の流れや雲の出方がどう変わるのかが、実証データから比較できるようになる。

シルミー

朝と夕で温度が違うって、遠い惑星にも時間帯があるんだね!

はかせ

そうなんです。風の流れまで読み取れるなんて、点にしか見えない惑星から驚くほどの情報が引き出せる時代になりましたね

WASP-121bの観測手法は他の灼熱惑星にも応用できる。何百光年先にある世界の朝焼けと夕焼けを比べる研究が、これから次々と進んでいくはずだ。