太陽系外の惑星をさがす

太陽系起源論と系外惑星研究の第一人者による解説である。著者は、系外惑星研究が華やかだったこの 20 年間ずっとその潮流の中心にいた。一方で、私はそういう流れをきちんとフォローしていなかったので、この解説で大変に勉強になった。

著者は、テキスト棒読みはせず、自然に話を進めていて聞きやすかった。

なお、テキストの内容は、著者の前の著書『異形の惑星』（NHKブックス）、『スーパーアース』（PHPサイエンス・ワールド新書）、『系外惑星』（ちくまプリマー新書）を再構成したものであるとのこと。

放送時のメモと放送テキストのサマリー

第１回 地球外生命の議論と共にあった天文学

系外惑星と地球外生命

1995年に系外惑星が発見され、現在では5000～6000個も見つかっている。

系外惑星のみならず、エウロパやエンセラダスなどにもひょっとしたら生命がいるのではないかという想像がある。

天文学の歴史

17 世紀にケプラーが楕円軌道を発明することで地動説がゆるぎないものになった。

19 世紀になって、夜空の星が恒星であることがわかるようになった。

19 世紀末には分光観測から太陽や惑星の環境がわかるようになってくる。すると、生命がいる環境の候補として火星が出てきた。 20世紀始めには火星人の議論がなされた。

火星人の話が全くダメであることがわかって、地球外生命の話はしばらく進まなかった。

系外惑星がみつかって、地球外生命の話がまたさかんになった。

惑星探査と生命の可能性

エンセラダス、エウロパ、タイタンにおける生命の存在可能性が議論されている。

エンセラダスには水蒸気が噴出している。地下海があるらしい。

エウロパにも地下海があるらしい。

タイタンにはメタンの海がある。

第２回 異形の系外惑星

太陽系

内側から、小型岩石惑星ー巨大ガス惑星ー中型氷惑星

太陽から遠いと氷が凝結できる。水素や酸素は宇宙にたくさんあるので、水はたくさんある。低温だと氷がたくさんある大きな惑星ができる。

原始太陽系円盤のガスが取り込まれると木星のような巨大惑星ができる。しかし、ガスは数百万年でなくなってしまうらしく、天王星や海王星ができたころには、ガスがなくなっていた。

系外惑星系

1995 年、51 Pegasi の周囲に惑星が発見された。公転周期は4日。その後、次々と系外惑星が発見された。

hot Jupiters や eccentric Jupiters (離心率の大きな巨大惑星) がたくさん見つかった。

太陽系では、離心率が大きいのは小さな天体なのに、系外惑星では重い惑星ほど離心率が大きい。

super-Earths は太陽型星の半数以上にありそうである。軌道離心率は一般に小さい。 検出のしやすさの問題で、今まで見つかっているのは中心星のすぐ近くを回っているものが多い。

異形の惑星がたくさん見つかる中で、太陽系は奇跡的だという議論さえ出た。

第３回 宇宙空間を支配する重力の不思議

万有引力の法則

その帰結は、ケプラーの法則。

重力を使って見えないものを見つける

海王星は、天王星の詳しい軌道の変動から予測されて、その予測どおり発見された。

ダークマターは、銀河団の個々の銀河の速さや、銀河系の回転速度などから存在が示された。

膨張宇宙論

最近では、宇宙の加速膨張が発見されて、ダークエネルギーの存在が取り沙汰されている。

第４回 プラネット・ハンターたちの苦闘の歴史

系外惑星が見つかった 1995 年までの系外惑星探索の歴史を見てゆく。

1940--70 年代：アストロメトリ法

系外惑星探索は、1940 年代から始まった。最初は、天球上の位置を正確に調べることによって中心星の動きを調べるアストロメトリ法が試みられた。

とくに、ピーター・バンデカンプは精力的に観測をした。1963 年には、バーナード星の周りに惑星を発見したと発表した。

1970 年代になると、バンデカンプの発見に疑問が投げかけられ、発見は無かったことになった。

1980 年代--90 年代前半：ドップラー法

1980 年代にはアストロメトリは難しいということになって、ドップラー効果を用いて中心星の動きを観測することが始まった。1989 年には、デビッド・ラザムとミシェル・マイヨールは HD114762 に褐色惑星の伴星を発見した。ただし、これを褐色矮星と考えるべきか惑星と考えるべきかは、いまでもよくわかっていない。。

とくに、ゴードン・ウォーカーは観測の精度を上げて 12 年間観測を続けたが、惑星は見つからなかった (1995 年 8 月論文発表)。1995 年 5 月にはピーター・バンデカンプ死去。系外惑星の探索にはあきらめムードが漂っていた。

太陽系形成論の方でも、惑星は中心星にだいたい落ちていって、なくなってゆくのだというような理論が出てきた。

ところがそれらの直後の 1995 年 10 月に系外惑星の発見が発表された。

第５回 太陽系形成の古典的標準モデルの功罪

古典的標準モデルがよくできていたので、太陽系のような惑星系が普通だと思われていた。

標準モデルによる太陽系のできかた

原始太陽系円盤の中からチリが集まって小さな惑星ができる。それがさらに衝突合体して惑星や衛星ができる。 このことは基本的に今でも正しいと考えられている。

初期の円盤がどういうものだったかが問題である。標準モデルは、現在の巨大惑星をならしたもので、太陽の 1 % くらいの質量のものを想定する。これは、ガス円盤が観測されるようになった今でも、平均的にはおおむね正しいということになっている。ただし、0.1 % のものとか 10 % のものとかもある。観測的には、数 100 万年でガス円盤がなくなる。そのころまでには、少なくとも 1km サイズの微惑星ができていないといけない。そうでなければ、ガスと一緒になくなってしまう。

シミュレーションによると、惑星の暴走成長が起こることがわかった。すなわち、少数の惑星の種だけが大きく成長する。結果的に、地球型惑星領域では火星サイズの原始惑星が 20 個くらいできる。その後、長い時間をかけて、現在くらいの大きさの惑星ができる。

月は、巨大衝突でできた。これもコンピュータシミュレーションでできることがわかった。

巨大惑星の作り方

木星のあたりでは、地球質量の数倍程度の大きな原始惑星ができるので、円盤ガスが引き付けられ、その自己重力で急速に大きな惑星ができる。

天王星や海王星になると、惑星ができるのに時間がかかる。大きくなる前にガスがなくなった。

第６回 ホット・ジュピターの発見～惑星軌道は移動する

1995 年以降、系外惑星がどんどん見つかってゆく過程。

背景

1995 年までには、系外惑星の存在に関してだんだん否定的なムードが高まっていた。

木星のような惑星は観測されないし、理論的にも惑星はどんどん太陽に落ちてゆくのではないかということも言われ始めてきた。

1995 年

著者は、サバティカルでカリフォルニア大学サンタクルーズに行った。

10 月、ペガスス座 51 番星の周囲で、中心星から 0.05 AU のところに巨大惑星があることが発見された。 最初は疑いの目を持って見られたが、次々に追試がなされて本当だということになった。

最初に見つけたのは、マイヨールとケロズであった。なぜ見つけられたかというと、惑星探しの専門家ではなかったから。 専門家は木星のような長周期のものを狙っていた。ところが、マイヨールは、連星観測をしていたので、短周期のものも自然とターゲットに入っていた。連星で伴星が軽いものをどんどん探していっていた。 そうしているうちに惑星をみつけてしまった。

その後の引き続く発見

その後瞬く間に多くの系外惑星が見つかっていった。2002 年には、見つかった系外惑星が 100 個を超えた。

最初の 5 年間を牽引したのは、リック天文台のジェフ・マーシーだった。2002 年までの発見の半分以上はマーシーのチームによるものだった。

理論の急展開

ペガスス座 51 番星の惑星の追試がなされてから数日間、リンは研究室にこもり続けて一気に論文を書いて nature に投稿した。リンは、それまで惑星が太陽に向かって落ちるという研究をしていたからだ。

国民性

アメリカでは、系外惑星の研究が脚光を浴びて、皆が早速飛びついたが、日本やイギリスでは最初は皆それほど興奮していなかった。著者はアメリカから帰ってきたとき、その違いに少なからず驚いた。

第７回 エキセントリック・ジュピターの発見～惑星軌道は乱れる

系外惑星の観測の動向

しばらくは、カリフォルニアのジェフ・マーシーのチーム（最初は、マーシーと、学生のポール・バトラーの２人）が怒涛の勢いで系外惑星を発見していった。 スイスのミッシェル・マイヨールのチームは、観測精度で後れを取っていたので、しばらくは観測装置の開発をした。それに成功して、やがて世界の最先端に復活する。 日本は出遅れた。本格的に始めたのは、佐藤文衛である。佐藤は、赤色巨星の周囲の惑星を発見した。

エキセントリック・ジュピター

離心率の高い巨大惑星が数多く発見された。巨大惑星の半数程度の離心率が 0.2 を超えている。

形成過程としては、もともとは円軌道で生まれて、やがて軌道が変わったと考えられている。

1996 年、ジョン・チェンバースが、ちょっとしたことで惑星系はすぐに不安定になることを見出した。

ジャンピング・ジュピター・モデル：３つ以上の巨大惑星があると、軌道不安定が起こって、ある惑星は惑星系を飛び出し、 残った惑星がエキセントリック・ジュピターになる。

スリングショット・モデル：惑星系の軌道不安定で、ひとつが内側に飛ばされ中心星の近くまで行ったとすると、 潮汐力を受けて軌道が円軌道になる。それがホット・ジュピターになったと考える（フレッド・ラシオ）。

古在メカニズム：連星系で、伴星の軌道面と惑星の軌道面が傾いていると、伴星の影響で軌道離心率が上がる。

第８回 影を見張って系外惑星をさがす

惑星分布生成モデル

惑星形成について、細かいところは捨てて、統計的な分布を予測する半解析的なモデルを作った（井田と Lin）。

このモデルは観測のプロポーザルに多く使われている。

トランジット法

惑星が中心星の前を通過するときの明るさの変化を観測する。

この方法で惑星の大きさがわかる。一方、ドップラー法では質量がわかるから、両方を組み合わせると密度がわかる。

星の明るさの変化が本当に惑星による食によるのかどうか決めるのは難しい。黒点かもしれないし、連星かもしれない。

重力レンズ観測をしていたポーランドのグループ (OGLE) が、星の明るさを精度良く観測していて、 その技術を使ってトランジット法で次々と系外惑星を発見していった。ところが、見つかったものは暗い星が多く、そうすると、ドップラー法が適用できない。

そこで、ドップラー法でホット・ジュピターを次々に発見して、それが食を起こすかどうかを調べる計画がでてきた。すばる望遠鏡で日米共同研究として行われた。すばる望遠鏡では、佐藤文衛が食を起こすホットジュピターを２個見つけた。

その後、ケプラー宇宙望遠鏡で数多くの系外惑星がトランジット法で発見された。

第９回 系外惑星探索は知恵比べ

さまざまな系外惑星探索法の紹介。

重力レンズ法

惑星によるわずかな空間のゆがみを観測する。中心星による重力レンズと惑星による重力レンズのペアで観測される。OGLE のチームが始める。 日本でも大阪大学や名古屋大学の MOA のグループも加わった。

問題は、恒星の前を別の星が通るという確率が低いことと、たった１回しか起こらないということ。

中心星から 1～3 AU 離れた惑星が見つけやすい。小さな惑星でも発見できる。

惑星大気の観測

スピッツァー赤外線宇宙望遠鏡を使って、食を利用して惑星大気の観測ができるようになった。

逆行惑星の発見

東京大学の須藤靖は、恒星赤道面と惑星軌道面の傾きを推定する方法を考案した。 一方で、長澤真樹子らは、スリングショットモデルで逆行ホット・ジュピターができることを示した。 その後、2009 年に成田憲保らが逆行ホット・ジュピターを発見した。

直接撮像

中心星からかなり離れたところに惑星が直接発見されるようになってきた。

2010 年までは順行惑星ばかり見つかっていたが、それ以後逆行惑星が発見されるようになった。 最初のころは、視線速度法で見つかったものを見ていたが、太陽のような星を主に見ていた。 それ以後は、トランジット法で見つかったものを見るようになった。

中心星からだいぶん離れた場所に巨大惑星ができるメカニズムはまだよくわかっていない。

第１０回 スーパーアースは遍在する

現在では、小さな惑星がたくさん発見されるようになってきている。ドップラー法で、 最初は秒速 10 m くらいだった精度が、やがて秒速 3 m になり、数 10 cm へとなってきた。

ホット・ネプチューン

2004 年、カリフォルニア・チームがホット・ネプチューン GJ436b を発見した。ほぼ同時にスイス・チームは GJ436b を発見した。

スーパーアース

2005 年、カリフォルニア・チームが地球質量の 7.5 倍の惑星 GL876b を発見した。 2005--2007 年には、スイス・チームが Gliese 581b,c,d を発見した。 Gliese 581 は M 型星で、Gliese 581c,d はハビタブルゾーンにあるスーパーアースとして一躍有名になった。 スイス・チームは、さらに突っ走り、2009 年には、地球質量の 1.9 倍の惑星 Gliese 581f を発見した。

カリフォルニア・チームは内部分裂し、さらにボスのジェフ・マーシーがセクハラで教授職を追われた。

スイス・チームは、強力になり、リーダーのミシェル・マイヨールは京都賞などを受賞している。

2009 年、スイス・チームは、太陽型星の半分くらいに 0.25 AU 以内に短周期のスーパーアースがあると発表した。 すなわち、もっと軌道半径が大きいものまで含めれば、地球型惑星はほとんどの恒星にあるということになる。

ケプラー宇宙望遠鏡

ケプラー宇宙望遠鏡は、宇宙空間で系外惑星のトランジット観測をする。数千個の惑星を見つけた。 スーパーアースが太陽型星の半分くらいにあることがわかった。

ハビタブルゾーンにある惑星も全然珍しくはないことがわかった。そこで生命の存在可能性もいろいろ議論されている。

第１１回 惑星に海が存在する条件とは

ELSI

東工大に「地球生命研究所 (ELSI)」ができて、国立天文台には「アストロバイオロジー・センター (ABC)」ができた。

生命が存在する条件

生命は海で生まれた。海とは言わないまでも、少なくとも水の中でできたと考えられている。

水が存在するためには、ある程度大気が必要（ある程度の圧力が必要）。さらに、ある温度範囲にないといけない。

水が存在する惑星軌道の領域をハビタブルゾーンという。太陽の光度は進化とともに変わるので、ハビタブルゾーンも時とともにずれる。大気の温室効果の勘定の仕方によってもハビタブルゾーンは変わる。

惑星の大きさがある程度ないと大気が保持できない。しかし、大きすぎるのも困る。地球の大きさの10倍くらいになってしまうと、木星のようになってしまう。とはいえ、地球質量の20倍程度のスーパーアースも知られている。

暗い M 型星だと、ハビタブルゾーンが中心星の近くにあり、惑星を発見しやすいので、実際にハビタブルゾーンの中に惑星が見つかっている。さらに、M 型星は寿命が長いので、生命が進化する暇がある。

惑星大気

地球大気の起源は、もともと岩石に取り込まれたガスである（２次大気）。

地球大気の酸素は、生命が作ったもの。酸素は反応性が高いので、放っておくと化合物を作ってしまう。

むかし、地球大気には二酸化炭素が多かった。そのころは太陽が暗かったので、地表は凍らずにすんだ。 その後、二酸化炭素は徐々に炭酸塩になり、プレート運動によって除去された。

金星は初期にはハビタブルゾーンにあったはずだが、今では水はどこかへ行ってしまって、厚い二酸化炭素大気に覆われている。

火星初期には水があったらしい。しかし、昔の太陽は暗かったはずなのになぜ水があったのか、謎である。

ところで、昔地球大気に二酸化炭素が 100 気圧もあったとすると、海はけっこう高温になったはずだ。そんな場所で生命が生まれるのかどうか疑問。昔の大気圧がどのくらいだったか、まだ整理が付いていない。

第１２回 生命が生息できる惑星の条件

陸上生物

高等生物は陸にいるし、酸素呼吸と結びついている。

酸素はエネルギー効率が高い。このことが高等生物が進化する鍵になったのかもしれない。

5 億年前に、生命が大進化（カンブリア紀の大爆発など）するとともに、酸素濃度が上がっている。同時期に全球凍結が起こっている。そのへんの因果関係はよくわかっていない。

地球磁場の役割

陸に上がると、宇宙線という危険がある。地球磁場があると宇宙線（だいたい荷電粒子）がシールドされる。

地球の磁場は鉄のコアで作られている。

なぜか金星と火星には磁場がなくて、水星には磁場がある。

天文学と地球科学

地球科学では、たいてい多くのデータがあるが、サンプルは地球唯一つである。系外惑星の研究では、個々のデータは限られているが、サンプルがたくさんある。

系外惑星の生命を考えるときは、地球生命がベースになるが、地球生命にとらわれてもいけない。

自転軸の傾きの変動

火星は、自転・軌道共鳴（軌道面の傾斜角の変化の周期と歳差運動の周期が一致すること）により、自転軸の傾きが大きく変動する。これでは大きな気候変動が起こるだろう。

地球では、月があるので歳差運動が速くなり、自転・軌道共鳴を逃れている。そのため、自転軸の傾きはあまり変動しない。

月の形成

月の形成メカニズムとして、一般に巨大衝突説が受け入れられている。

しかし、月と地球の同位体比が同じである一方で、巨大衝突では衝突天体のマントルから月ができるとされているという矛盾がある。

第１３回 系外惑星探索から地球外生命探索へ

化学進化説

簡単な分子から複雑な有機物ができてくる。

どのような場でできてくるのか？どうやったら秩序ができてくるのか？まだよくわかっていない。

M 型星の周囲の惑星

M 型星では、ハビタブルゾーンが地球に近い。そこにあるような惑星では、常に中心星に同じ面を向けているだろう。 さらに、自転軸も立っているはずで、四季も無い。さらに、中心星から来る紫外線や X 線も強い。

M 型星は低温なので、原始惑星系星雲のかなり広い領域で氷が凝縮する。したがって、水は地球よりも豊富にあるだろう。

タイタン

カッシーニ衛星が投入したホイヘンスの観測によれば、表面にはメタンかエタンの海がある。

エンケラドス、エウロパ

エンケラドスでは、有機物混じりの水が噴出していた。地下海がある。

エウロパにも地下海があると考えられている。熱源は潮汐加熱。

系外生命探索

大気の成分から生命の存在が推測できるかもしれない。

植物は赤外線を反射する。そのようなものが系外惑星で観測されないか？

系外惑星に知的生命はいるのか？