2017/06/06

史上最も熱い惑星を発見

 

成田 憲保(天文学専攻 助教)

福井 暁彦(国立天文台岡山天体物理観測所 特任専門員)

 

発表のポイント

  • 観測史上最も熱い太陽系外惑星を発見した。
  • この惑星の昼面の温度は摂氏4,300度にも達し、恒星(注1)の温度にも匹敵する。
  • これほど高温の惑星が発見されたのは初めてで、この惑星の大気がどのような性質を持ち、どのような運命をたどっていくのかがこれから研究される。

発表概要

東京大学大学院理学系研究科天文学専攻の成田憲保助教と国立天文台岡山天体物理観測所の福井暁彦特任専門員らの参加する国際研究チームKELT(注2)は、昼面の温度が摂氏4,300度にも達する観測史上最も高温の太陽系外惑星を発見しました。KELT-9bと名付けられたこの惑星は、摂氏およそ10,000度の恒星KELT-9のまわりを約1.5日という短周期で公転しています。非常に高温の恒星のすぐそばを公転しているため、自ら光り輝かない惑星であるにも関わらず、この惑星の大気の温度は恒星の温度にも匹敵する高温になっています。また、この惑星は主星からの強い紫外線を受け、彗星のように大気が流出している可能性が考えられます。今後の詳細な惑星大気の観測で、惑星からの大気の流出率などが明らかになれば、この数奇な惑星がこれからどのような運命をたどるのかが明らかになると期待されます。

発表内容

<本研究の背景>
1995年に初めて太陽型星(温度によってF型星、G型星、K型星と呼ばれる摂氏3,500度〜7,000度程度の恒星)のまわりで惑星が発見されて以来、太陽型星のまわりでの太陽系外惑星探しが盛んに行われてきました。また、近年の太陽系外惑星の探索では、太陽よりも温度が低い低温度星(M型星と呼ばれる温度が摂氏2,300度〜3,500度程度の恒星)に注目が集まり、低温度星のまわりの生命居住可能惑星の探索が世界的な研究のトレンドになっています。

一方、宇宙における惑星形成の全体像を理解するためには、低温度星とは対極にある高温の恒星のまわりで惑星を探すことも重要です。太陽型星では、太陽系の常識には反して、木星のような巨大ガス惑星が主星のそばを公転する「ホットジュピター」と呼ばれるような惑星が100個以上発見されています。一方、太陽型星より高温の摂氏7,000度を超えるような恒星では、最初の太陽系外惑星の発見から20年以上が経過した現在でも、まだ6個しかホットジュピターが発見されていません。

高温の恒星のまわりではホットジュピターが形成されにくいのか、あるいはどこまで高い温度の恒星でホットジュピターが形成されうるのかといった観測による知見は、惑星の形成過程や軌道進化の理論を制約する重要な手がかりとなります。そのため、高温の恒星のまわりの惑星探しも、低温度星のまわりの惑星探しとはまた別の、系外惑星研究の一つのフロンティアと言えます。

これまで高温の恒星のまわりでホットジュピターの発見例が少なかった理由として、高温の恒星は高速で自転しているため、太陽系外惑星探しの代表的な方法である視線速度法(注3)による惑星探しが難しかったことが挙げられます。また、高温の恒星はとても明るいため、もう一つの代表的な惑星探しの方法であるトランジット法(注4)によるターゲットからも漏れてしまっていました。

そのような状況のもと、KELTは口径たった4.2cmという非常に小さな望遠鏡を2台使ったトランジット惑星探しをすることで、特に明るい恒星のまわりの惑星探しを2005年から実施してきました。

<本研究の内容>
今回発見されたKELT-9bは、2014年にトランジット惑星の候補として認識され、2015年から2016年にかけて、それが偽物の食連星ではなく本物の惑星であることを確認する「発見確認観測」が行われました(図1とhttps://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2017/5270/を参照)。

図1.本物のトランジット惑星と偽物の食連星の概念図。(a)はトランジット惑星で、(b)はお互 いをかすめるような軌道を持つ食連星、(c)は食連星の近くに別の恒星がある場合を示し ています。本物の惑星である(a)の場合には近くに別の恒星はなく、どの波長で観測しても 減光の深さはほとんど変わりません。一方、(b)や(c)の場合には、観測する波長によって減 光の深さに大きな違いが現れます。また、(c)のような場合は近くに別の恒星が存在してい ます。そのため、トランジットの深さを様々な波長で確認する観測や、近くに別の恒星が ないかどうかを確認する観測によって、本物の惑星かどうかの発見確認ができます。

 

成田憲保助教と福井暁彦特任専門員は、岡山天体物理観測所の188cm反射望遠鏡に搭載された3色同時撮像装置MuSCATという観測装置を用いて、2015年の夏にこの惑星の発見確認観測に取り組みました。そして世界のKELTチームのメンバーらの観測結果と合わせ、この惑星候補が本物の惑星であることを確認しました。

KELT-9bと名付けられたこの惑星は、摂氏およそ10,000度という高温の恒星KELT-9(別名HD 195689)のまわりをたった約1.5日という短周期で公転しています。惑星の質量と半径はそれぞれ木星の2.9倍と1.9倍程度で、いわゆるホットジュピターに分類されます。また、惑星が主星の裏に隠れる際に観測できる惑星の昼面からの放射光の観測によって、惑星の昼面の温度は摂氏4,300度にも達することがわかりました。つまり、KELT-9bは本来自ら光り輝かない惑星であるにも関わらず、昼面の温度は恒星の温度にも匹敵し、恒星の中でも大多数を占める低温度星の温度より高温になっています。このような常識外れの温度を持つ惑星が発見されたのは観測史上初めてで、従来の惑星の概念を覆す大発見と言えます。

<今後の展望と本研究の意義>
通常惑星の大気成分には分子が含まれますが、この惑星の昼面はあまりに熱すぎて水蒸気や二酸化炭素、メタンといった分子は形成できません。この惑星の夜面の温度は測定されていませんが、おそらく夜面も同様に高温であるため、たとえ分子が形成されるとしても一時的だと考えられます。つまり、この惑星は従来の惑星とは全く異なる性質の大気を持っており、それはこれまで誰も見たことがありません。そのため、スピッツァー宇宙望遠鏡やハッブル宇宙望遠鏡、そして2018年に打ち上げられる予定のジェームス・ウェッブ宇宙望遠鏡などによってこの惑星の大気を調べる研究がこれから進んでいくと考えられます。

また、この惑星は主星からの強い紫外線を受け、彗星のように大気が流出している可能性が考えられます(図2参照)。

図2.主星KELT-9(左の青白い恒星)と惑星KELT-9b(右)の想像図。主星が高速で自転しているためやや扁平になっていることや、惑星からの大気の流出が表現されています。また、この 惑星は主星の自転の向きに対してほぼ垂直な方向に公転していることがわかっています。
クレジット:NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (IPAC)

 

もしそうなっていれば、ハッブル宇宙望遠鏡による紫外線でのトランジット観測を行うことで、惑星からの大気の流出を観測できるかもしれません。そうした観測で惑星からの大気の流出率が判明すれば、惑星が主星に飲み込まれてしまうと考えられるこれから数億年のうちに、全ての大気が惑星から剥ぎ取られてしまうのか、あるいはそうなる前にホットジュピターのまま主星に飲み込まれてしまうのかなどの惑星の運命が明らかになると考えられます。

なお本研究について、アメリカではオハイオ州立大学が主導となり、現地2017年6月5日(月)にアメリカ天文学会で記者会見が行われました。日本では、日本チームの観測を務めた東京大学大学院理学系研究科の成田憲保(助教)と国立天文台岡山天体物理観測所の福井暁彦(特任専門員)での共同発表を行いました。

本リリースに関する動画は、国立天文台岡山天体物理観測所のホームページからご覧いただけます。

 

発表雑誌

雑誌名 Nature
論文タイトル A giant planet undergoing extreme ultraviolet irradiation by its hot massive-star host
著者 B. Scott Gaudi*, Keivan G. Stassun, Karen A. Collins, Thomas G. Beatty, George Zhou, David W. Latham, Allyson Bieryla, Jason D. Eastman, Robert J. Siverd, Justin R. Crepp, Erica J. Gonzales, Daniel J. Stevens, Lars A. Buchhave, Joshua Pepper, Marshall C. Johnson, Knicole D. Colon, Eric L. N. Jensen, Joseph E. Rodriguez, Valerio Bozza, Sebastiano Calchi Novati, Giuseppe D‘Ago, Mary T. Dumont, Tyler Ellis, Clement Gaillard, Hannah Jang-Condell, David H. Kasper, Akihiko Fukui, Joao Gregorio, Ayaka Ito, John F. Kielkopf, Mark Manner, Kyle Matt, Norio Narita, Thomas E. Oberst, Phillip A. Reed, Gaetano Scarpetta, Denice C. Stephens, Rex R. Yeigh, Roberto Zambelli, B.J. Fulton, Andrew W. Howard, David J. James, Matthew Penny, Daniel Bayliss, Ivan A. Curtis, D.L. Depoy, Gilbert A. Esquerdo, Andrew Gould, Michael D. Joner, Rudolf B. Kuhn, Jonathan Labadie-Bartz, Michael B. Lund, Jennifer L. Marshall, Kim K. McLeod, Richard W. Pogge, Howard Relles, Chistopher Stockdale, T.G. Tan, Mark Trueblood, Patricia Trueblood
DOI番号 10.1038/nature22392
論文URL http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature22392.html

 

用語解説

注1 恒星

恒星は水素の核融合反応によってエネルギーを作り出し自ら光り輝く天体を指し、惑星は水素の核融合を起こすことができず恒星の周囲を公転している天体を指します。日本語では恒星と惑星、場合によっては小惑星もひっくるめて星と呼ぶことがありますが、天文学では恒星と惑星が明確に区別されています。

注2 KELT

Kilodegree Extremely Little Telescopeの頭文字をとった望遠鏡、およびチームの名前で、4.2cmという非常に小さな望遠鏡2台で1,000平方度を超える視野を一度に観測していることに由来します。2台の望遠鏡は、1台がアメリカ合衆国のアリゾナ州、もう1台が南アフリカ共和国の南アフリカ天文学観測所に設置されています。アメリカ合衆国のオハイオ州立大学、ヴァンダービルト大学、リーハイ大学などの研究者が組織したチームで、日本やヨーロッパ(デンマーク、イタリア、ポルトガル、スイス)、オーストラリアの研究者など世界中の研究者によるネットワークチームとなっています。

注3 視線速度法

恒星の光を細かい波長に分けて(=たくさんの色に分けて)調べる分光という手法を用いて、恒星の大気成分に由来する吸収線を観測し、その吸収線のわずかな波長の変動から主星の運動を調べる方法。惑星が恒星のまわりを公転していると主星がわずかに運動するため、吸収線の波長がドップラー効果でわずかに変動します。そのため、視線速度法(ドップラー法とも呼ばれる)によって惑星を発見することができます。しかし、恒星が高速で自転していると吸収線が平坦になってしまい、良い精度で惑星を発見することができません。そのため、高速で自転している高温の恒星では、視線速度法による惑星探しが難しいことが知られています。

注4 トランジット法

トランジットとは、恒星の前を惑星が通過する、いわゆる食の現象のこと。太陽系外惑星の軌道がたまたま主星の前を通過するような軌道の時に起こります。トランジット法での惑星探しでは、CCDカメラによって大量の恒星の明るさを同時に観測し、定期的に暗くなっている(減光している)天体を候補として選び出します。CCDカメラでは天体からの光を電荷に変換して天体の明るさを記録していますが、貯められる電荷の量には限界があるため、明るすぎるとかえって観測ができなくなってしまいます。従来の地上からのトランジット惑星探しでは、10cmを超える口径の望遠鏡が使われていたため、明るい高温の恒星は主なターゲットから外れてしまっていました。

 

―東京大学大学院理学系研究科・理学部 広報室―