TRAPPIST-1 bの昼と夜はどれほど違うのか？
TRAPPIST-1 bは約1.51日で恒星を一周する、最も内側の惑星だ。常に同じ面を恒星へ向けていると考えられるため、大気がなければ昼側は熱く、夜側にはほとんど熱が届かない。厚い大気があれば、風が熱を夜側へ運んで温度差を小さくする。Webbが一周分の赤外線を測ると、昼側の明るさ温度は約490K、摂氏約217度だったが、夜側の熱は明瞭に検出されなかった。地球表面と同程度の約1barを超える気圧の大気は、この結果と合いにくかった。
ただし、気体が一分子もないと確認されたわけではない。非常に薄い大気や、現在の観測では痕跡が弱い大気が残る可能性はある。今のデータに最もよく合うのは、大気がほとんどなく、暗い岩石表面が昼側の熱をそのまま宇宙へ放つという説明だ。
- 約1.5109日 中心星を一周する時間
- 約172万km 星と惑星間の平均距離
- 地球の約1.37倍 通過時間変化で求めた惑星質量
- 地球の約1.12倍 星の光を隠した割合で求めた惑星半径
惑星の昼側の温度はどう測るのか？
惑星が恒星の横に見えるとき、望遠鏡には恒星光と惑星の昼側が出す赤外線が一緒に入る。惑星が恒星の後ろに完全に隠れると惑星光だけが遮られ、恒星光が残る。この明るさの差を測れば、二つを画像上で分けられなくても昼側の熱が分かる。これを二次食観測という。
2023年、WebbのMIRI機器は波長15μmの赤外線で惑星が隠れる様子を5回観測した。惑星が隠れると、全体の光は約0.08％減り、ここで約500K、摂氏約227度という明るさ温度を計算した。明るさ温度は、特定の光で測定した明るさを温度に変えた値です。惑星全体の平均温度や表面のあらゆる場所の温度を直接測定した値ではありません。
一種類の赤外線から何が分かるのか？
15μm赤外線で昼間が明るく見えた結果は、大気がなく、暗い表面が星光を多く吸収するという説明とよく合った。厚い二酸化炭素雰囲気がある場合は、この赤外線を吸収し、昼間の熱を他の場所に移し、昼間の方が暗く見せなければならなかった。 ２０２３年の結果が厚い大気がない可能性を初めて強く見せた理由だ。
しかし、一種類の赤外線だけでは惑星が出す熱の一部だけが分かる。 2024年には波長12.8μmの観測5回が追加された。 2種類の赤外線を一緒に見ると大気がなく、鉄やマグネシウムの多い岩石表面が資料とよく合った。しかし、高い煙霧層を持つ厚い二酸化炭素大気も、一部の条件では同じ明るさを作ることができた。どの説明が合うのか、2種類の赤外線だけでは決められなかった。
惑星が恒星の後ろに隠れる瞬間から分かるのは昼側の熱だけだ。大気が熱を夜側へ運ぶかを知るには、一周する間ずっと観測しなければならない。
惑星が一周する間に熱はどう変わるのか？
惑星が星を回っている間は、地球側に向かう面がずっと変わります。 Webbは昼間が見えるときどれくらい明るくなり、夜が見えるときどれだけ暗くなるか、いつ最も明るいかを記録し続けた。このような明るさの変化を熱位相曲線という。大気が熱を運ぶなら夜の方でも赤外線が出て、最も熱いところも星を正面から見る地点から横に移動できる。
2026年に発表された結果で、昼間の明るさ温度は490±17K、摂氏約217±17度であった。夜側の熱ははっきりと見えず、最も明るくなった時点も目立つように移されなかった。日中の熱を夜に広く運ぶ厚い大気よりも、昼間の表面が熱を宇宙に放出する岩石の惑星であるという説明がよりよくフィットした。地表面気圧が約1barを超える大気は、可能性が大幅に低くなった。
- 2023年 波長１５μｍ観測５回で昼の熱と約５００Ｋの明るさ温度を求めた。
- 2024年 波長１２．８μｍの観測５回を加えたが、岩石表面と一部の厚い大気の両方が可能であった。
- 一周全体の観測 昼側から夜側へ移る赤外線の明るさを記録し続けた。
- 2026年分析 熱い昼とはっきりしない夜の熱が厚い大気の可能性を大きく下げた。
TRAPPIST-1 bに大気はあるのか？
現在の観測と最も合わないのは、昼側の熱を夜側へよく運ぶ厚い大気だ。非常に希薄な大気や、赤外線の痕跡が弱い気体まで全てないとは言えない。どこまで薄ければ観測と合うかは、気体の種類、雲やもや、表面が反射する光の量によっても変わる。
惑星が恒星の前を通るときの観測からも、水素に富む厚い大気はないと分かった。ただし黒点と明るい領域が恒星光を大きく変えるため、重い気体からなる薄い大気の有無は判断できなかった。恒星の前を通るとき、後ろに隠れるとき、一周全体を見るときでは、それぞれ弱点が違う。複数の方法が同じ結論を示すほど、大気の判断は確かになる。
表面の物質と年代はどう調べるのか？
質量と大きさで計算した平均密度は、ｂが岩石が主成分である惑星である可能性と一致する。 2種類の赤外線の明るさは、オリーブと輝石のように、鉄やマグネシウムの多い岩石表面を入れた計算によく合った。しかし、可能な材料を比較した結果にすぎない。 Webbが岩の彫刻を分析したり、表面鉱物を直接発見したわけではありません。
表面が本当に新鮮であれば、火山活動や宇宙風化が表面を更新する過程があるかもしれないが、現在の資料だけではある過程と視点を定めることができない。反射率の低い他の岩石や宇宙風化を受けた表面も考慮する必要があります。ページの惑星図に見える溶岩・亀裂・色は実際の地形を撮影したものではない。
約490K、摂氏約217度は波長15μmの赤外線で求めた昼の明るさ温度だ。惑星全体の平均温度や表面最高温度、夜の温度と同じではない。現在の観測は厚い大気の可能性を大幅に下げていますが、すべての薄い大気と表面材料を1つにすることはできません。
bの観測はほかの惑星の研究にどう役立つのか？
TRAPPIST-1 bは、居住可能地帯よりも星にはるかに近く、地球より約4倍のエネルギーを受けます。生命の可能性をまず調査する惑星というより、赤色矮星の近くで大気がほとんどない岩石惑星がどんな赤外線を出すのか調べる対象だ。
bが恒星の前を通ったときのデータは、eのような外側の惑星を観測する際、黒点が恒星光に残す変化を探す比較資料にもなる。bに大気がほとんどないという説明が確かになるほど、ほかの惑星の小さな大気信号と恒星自体の変化を分けやすくなる。bの大気に関する結論は、一回の温度測定だけから出たものではない。二つの異なる赤外線波長と、一周全体の明るさの変化を順に比べた結果だ。
出典
- NASA Exoplanet Archive — TRAPPIST-1 b
- NASA Science — Webb Measures the Temperature of TRAPPIST-1 b
- Nature — Thermal Emission from TRAPPIST-1 b
- Nature Astronomy — Combined 12.8 and 15μm Eclipse Analysis
- Nature Astronomy — Thermal Phase Curves of TRAPPIST-1 b and c
- The Planetary Science Journal — TRAPPIST-1 Masses and Radii
- The Astrophysical Journal Letters — TRAPPIST-1 b Transmission and Stellar Contamination