ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) は、赤色矮星のハビタブルゾーンに位置する岩石の世界である系外惑星 TRAPPIST-1e の調査を続けています。地球から約 40 光年離れたみずがめ座に位置するこの惑星は、大きさと質量が地球と似ており、6 日ごとに星の周りを公転しています。 2023年から2024年にかけて複数回の通過で行われた最近の観測では、透過分光法を使用して、惑星の大気によって濾過された星の光を分析した。これまでに得られたデータは、水素が支配する一次大気を除外しているが、太陽系の地球型惑星で見られるような、より密度の高い二次大気の存在を決定的に確認したり排除したりするものではない。
研究者たちは、頻繁なフレアや星斑を伴う超低温の赤色矮星である恒星 TRAPPIST-1 の高い活動により、重大な障害に直面しています。これらの特性により、観測される信号に変動が生じ、惑星大気の影響を星の汚染から分離することが困難になります。
TRAPPIST-1 システムとその惑星の居住可能な可能性
TRAPPIST-1 システムには 7 つの岩石惑星が存在しており、それらはすべて地球に近い大きさです。そのうちの 3 つ (TRAPPIST-1e を含む) はハビタブルゾーン内にあり、適切な大気がある限り、その気温により地表に液体の水が存在できます。 TRAPPIST-1e は、地球が太陽から受ける恒星放射線の約 60% を受けており、居住可能な条件の最も有望な候補の 1 つとなっています。研究によると、この惑星の密度は地球よりわずかに高く、より高密度の鉄核を含む岩石の組成を示唆しています。
JWST の観測は、惑星が恒星の前を通過し、星の光が大気を通過するトランジットに焦点を当てています。分析された4つのトランジットにより、フレアや星の表面の不均一性など、星の活動に起因すると考えられるスペクトルの変動が明らかになりました。
星の汚染がデータ分析に影響を与える
TRAPPIST-1 星の磁気活動により、特に 3 マイクロメートルを超える波長で、JWST データに重大な汚染が発生します。 2023年7月に記録されたものなど、測定中に観察されたフレアは、トランジットの深さを最大で数百ppm変化させます。従来の星モデルではこれらの変動を説明できず、大気信号を分離するにはより高度なアプローチが必要です。
科学者はガウス過程を使用して星の変動をモデル化し、データを補正します。この方法により、たとえ雲や霧があっても 3 シグマを超える自信を持って水素が豊富な大気を廃棄することができます。
系外大気研究における方法論の進歩
JWST と連携している DREAMS プロジェクト チームは、階層モデリング技術を適用して、恒星効果と大気効果を区別しています。 NIRSpec/PRISM 装置は幅広い波長にわたってデータを収集し、CO2、CH4、H2O、N2 などの分子を検索できます。複数のトランジットを組み合わせた分析により、平均スペクトルで約 50 ppm の精度が達成されます。
これらの方法は、岩石系系外惑星の特性評価における進歩を表しており、同様の世界の将来の観測のための基準を確立しています。大気モデルに雲や霞を含めることは、考えられるシナリオに課せられる制約を洗練するのに役立ちます。
大気組成の残された可能性
この観測では、恒星放射線による流体力学的脱出によって失われる可能性のある水素とヘリウムの一次大気は除外されている。火山の脱ガスや揮発性物質の保持によって形成される二次大気は、依然として実行可能な選択肢です。高密度の CO2 またはメタンが存在するシナリオは可能性は低いですが、完全に除外されるわけではありませんが、窒素に富んだ薄い大気はデータと一致する可能性があります。
この惑星は活動星に近いため、元の大気の多くを失っている可能性があるが、蒸気や氷の形での水の存在は否定されていない。他の JWST 機器を使用した補完的な研究では、より微細な信号を探します。
系外惑星の特性評価の次のステップ
JWST で計画されている新しい観測は、より多くのトランジットを蓄積して感度を高めることを目的としています。大気がないと考えられる惑星 TRAPPIST-1b を星の汚染を補正するための基準として使用する技術は、結果を改良することが約束されています。 ELT のような大型の地上望遠鏡は、将来的には宇宙データを補完するでしょう。
こうした共同の取り組みにより、銀河によくある恒星の種類である赤色矮星を周回する岩石惑星における大気の保持についての理解が進んでいます。
