「ホット・ジュピター」は、10日未満で恒星の周りを公転する巨大なガスの塊である。
これまでに約400個のホット・ジュピターが発見されており、そのうち最新のものは木星の約5倍の質量を持ち、わずか16時間で恒星の周りを公転している。これは、これまでに知られているガス惑星の中で最短の公転周期である。
この発見はNASAのトランジット系外惑星探索衛星（TESS）によって最初に行われたもので、天文学者にとって、惑星が恒星に引き寄せられて飲み込まれていく過程を研究する貴重な機会を提供するものである。
太陽系外の惑星の探索により、数千光年離れた恒星の周りを公転する4,000個以上の遠方の世界が見つかっている。これらの太陽系外惑星は、岩石質のスーパーアースや小型の海王星から、巨大なガス惑星に至るまで、まさに多様な惑星群である。
これまでに発見された惑星の中でも特に不可解なものの一つが「ホット・ジュピター」である。これは、木星とほぼ同じ大きさの巨大なガスの塊でありながら、10日未満という短い周期で恒星の周りを勢いよく周回している。木星がゆったりと12年かけて公転するのとは対照的である。これまでに約400個のホット・ジュピターが発見されている。しかし、これほど重い天体がどのようにして形成されたのかは、惑星科学における最大の未解明の謎の一つのままである。
今回、天文学者たちは、最も極端な超高温ホット・ジュピターの一つを発見した。これは木星の約5倍の質量を持つガス惑星で、わずか16時間で恒星の周りを猛烈な速度で周回している。この惑星の軌道は、これまでに知られているガス惑星の中で最も短いものである。
極めて狭い軌道を描き、恒星に極めて近いため、この惑星の昼側の温度は約3,500ケルビン、すなわち華氏約6,000度に達すると推定されている。これは小型の恒星とほぼ同じ高温である。この惑星はTOI-2109bと名付けられ、これまでに検出された中で2番目に高温の惑星である。
その特性から判断すると、天文学者は、TOI-2109bが「軌道減衰」、すなわち排水口に渦を巻いて吸い込まれる湯船の水のように、恒星へ向かって螺旋状に落下している過程にあると考えている。その極めて短い軌道により、この惑星は他のホット・ジュピターよりも速く恒星へ向かって螺旋状に落下すると予測されている。
この発見はNASAのトランジット系外惑星探索衛星（TESS）によって最初に行われたもので、MIT主導のミッションである。天文学者にとって、惑星が恒星に引き寄せられて飲み込まれていく過程を研究する貴重な機会を提供するものである。
「1〜2年のうちに、運がよければ、惑星が恒星に近づいていく様子を観測できるかもしれません」と、この発見の筆頭著者であり、研究期間中はMITのポスドク研究員で、現在はNASAゴダード宇宙飛行センターに所属するIan Wong氏は述べている。「私たちの生涯では、この惑星が恒星に落下する様子は見られないでしょう。しかし、さらに1,000万年が経過すれば、この惑星はもう存在していないかもしれません。」
この発見は本日発表され、『Astronomical Journal』に掲載されたもので、MITのTESS科学チームのメンバーや世界各地の研究者を含む大規模な共同研究の成果である。
トランジット観測
2020年5月13日、NASAのTESS衛星は、ヘルクレス座南部に位置し、地球から約855光年離れた恒星TOI-2109の観測を開始した。この恒星は、惑星を伴っている可能性があるとして、ミッションによって2,109番目の「TESS注目天体」として特定された。
約1か月にわたり、探査機は恒星の光の測定データを収集した。TESS科学チームはそのデータを、トランジット（周期的な減光）について分析した。トランジットとは、惑星が恒星の前を通過し、恒星の光のごく一部を一時的に遮る現象であり、それを示す可能性がある減光のことである。TESSのデータにより、この恒星には約16時間ごとにトランジットを起こす天体が実際に存在することが確認された。
研究チームは広く天文学界に通知し、その直後から、複数の地上望遠鏡が翌年にかけて追観測を行い、さまざまな周波数帯で恒星をより詳細に観測した。これらの観測結果とTESSによる最初の検出を組み合わせることで、トランジットを起こしている天体が軌道を公転する惑星であることが確認され、TOI-2109bと命名された。
「すべてが惑星であることと整合しており、非常に興味深く、比較的珍しいものを発見したと気づきました」と、研究の共同執筆者であり、MITのKavli Institute for Astrophysics and Space Research（カブリ天体物理学・宇宙研究所）の研究員であるAvi Shporer氏は述べている。
昼と夜
さまざまな光学および赤外線の波長にわたる測定を分析した結果、研究チームはTOI-2109bの質量が木星の約5倍、大きさは約35パーセント大きく、約150万マイル離れた恒星に極めて近い位置にあることを突き止めた。比較のために言えば、水星は太陽から約3,600万マイル離れている。
この惑星の恒星は、大きさと質量が太陽のおよそ50パーセント大きい。観測された系の特性から、研究者らはTOI-2109bが恒星へ向かって1年あたり10〜750ミリ秒の速度で螺旋状に落下していると推定した。これは、これまでに観測されたどのホット・ジュピターよりも速い。
この惑星の寸法と恒星への近さから、研究者らはTOI-2109bを超高温ホット・ジュピターであり、既知のガス惑星の中で最も短い軌道を持つものと判断した。ほとんどのホット・ジュピターと同様に、この惑星は潮汐固定されているように見え、地球に対する月と同様に、常に昼側と夜側が存在する。1か月にわたるTESSの観測から、研究チームは惑星が自転する際の明るさの変化を捉えることができた。光学および赤外線の波長で、惑星が恒星の背後を通過する（二次食として知られる）様子を観測することにより、研究者らは昼側の温度が3,500ケルビンを超えると推定した。
「一方で、この惑星の夜側の明るさはTESSのデータの感度を下回っており、そこで実際に何が起きているのかという疑問が生じます」とShporer氏は述べている。「そこの温度は非常に低いのでしょうか。それとも、惑星は昼側の熱をどうにかして吸収し、夜側へ移送しているのでしょうか。私たちは、これらの超高温ホット・ジュピターについてこの問いに答えようとし始めたばかりです。」
研究者らは、近い将来、ハッブル宇宙望遠鏡や、まもなく打ち上げられるジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を含む、より高性能なツールでTOI-2109bを観測することを期待している。より詳細な観測により、ホット・ジュピターが恒星へ落下していく際に経験する状態が明らかになる可能性がある。
「TOI-2109bのような超高温ホット・ジュピターは、系外惑星の中で最も極端な亜群を構成しています」とWong氏は述べている。「私たちは大気中で起きている独自の物理的・化学的プロセスの一部を理解し始めたばかりです。それらのプロセスは、私たちの太陽系にはまったく類例のないものです。」
TOI-2109bの今後の観測により、そもそもこのような目まぐるしい系がどのように形成されたのかについての手がかりも明らかになるかもしれない。「系外惑星科学の始まり以来、ホット・ジュピターは異端の存在とみなされてきました」とShporer氏は述べている。「木星ほどの質量と大きさを持つ惑星が、わずか数日間の軌道に到達するのはどうしてなのでしょうか。私たちの太陽系にはこのようなものは存在しません。これを研究し、その存在を説明するための機会だと捉えています。」
