晴れた夜に外へ出れば、私たちの祖先には想像することしかできなかった事実を確信できます。目に見える星はどれも、おそらく少なくとも1つの惑星を伴っています。
ほかの恒星を周回する天体は「系外惑星」と呼ばれ、大きさはさまざまです。木星より大きなガス惑星から、地球や火星とほぼ同じ直径の小さな岩石惑星まであります。金属が沸騰するほど高温のものもあれば、極寒に閉ざされたものもあります。恒星のすぐ近くを回り、「1年」がわずか数日しかない惑星もあれば、2つの太陽を同時に回る惑星もあります。恒星を持たない放浪者のような系外惑星もあり、銀河を永遠の闇の中でさまよっています。
その銀河、天の川銀河は、最も暗く澄んだ夜に空を横切る、星々の濃い帯です。渦巻くその広がりには、私たちの太陽も含め、おそらく約4,000億個の星があります。その一つひとつが惑星を1つだけでなく、私たちの太陽系のように惑星系全体を持つとすれば、銀河にある惑星の数はまさに天文学的です。すでに兆の単位に達しようとしています。
この岩石質のスーパーアースは、TESSやジェイムズ・ウェッブのような将来の望遠鏡が太陽系外で発見を目指す惑星のタイプを描いた想像図です。クレジット：ESO/M. Kornmesser
人類は何千年もの間、こうした可能性について思いを巡らせてきました。しかし、系外惑星が実際に存在することを確信できるのは、私たちの世代が初めてです。しかも、はるか遠くに。私たちに最も近い隣の恒星、プロキシマ・ケンタウリには、最近、少なくとも1つの惑星、おそらく岩石惑星があることが分かりました。距離は4.5光年、つまり25兆マイル（40兆キロメートル）以上です。これまでに見つかった系外惑星の大半は、数百から数千光年先にあります。
悪い知らせは、今のところそこへ到達する手段がなく、近いうちに足跡を残すこともできないことです。よい知らせは、そこを観察し、温度を測り、大気を調べられることです。そして、もしかすると近い将来、暗く遠い世界から捉えた光の画素に隠れている生命の兆候を検出できるかもしれません。
世界の注目を集めた最初の系外惑星は51ペガシbでした。恒星から50光年離れた「ホット・ジュピター」で、恒星の周りを4日周期で公転しています。画期的な年は1995年でした。系外惑星は一気に現実のものとなったのです。
しかし、それ以前にもいくつか手がかりは見つかっていました。現在タドモルとして知られる惑星は1988年に検出されましたが、発見は1992年に取り下げられました。それから10年後、より多くの優れたデータにより、実際に存在することが決定的に示されました。
また、「パルサー惑星」3つからなる系も、1992年に始まる観測で検出されていました。これらの惑星は約2,300光年先のパルサーを公転しています。パルサーは、高密度で高速回転する恒星の残骸です。その周りを回る惑星には、焼けつくような放射線を浴びせています。
今や私たちは、系外惑星の宇宙に生きています。確認された惑星の数は3,700個で、さらに増え続けています。これは銀河全体のごく一部を調べた結果にすぎません。宇宙に打ち上げるロボット望遠鏡の数と観測能力を高めることで、10年以内に数万個に達する可能性があります。
私たちはどのようにしてここまで来たのでしょうか。
私たちは、科学史の大きな転換点に立っています。初期探査と系外惑星の初確認の時代は、次の段階へ移りつつあります。宇宙と地上に、より鮮明で高性能な望遠鏡が登場するのです。広く調査すると同時に、対象を詳しく掘り下げます。遠方の世界の大きさや種類を明らかにし、より精密な個体数調査を担うものもあれば、個々の惑星や大気、何らかの生命を宿す可能性を詳しく調べるものもあります。
系外惑星の直接撮像、つまり実際に画像を撮ることは、ますます重要な役割を担うでしょう。ただし、現在の知識の大半は間接的な方法で得られています。主な方法は、恒星の揺れと影を利用します。「揺れ」を使う方法は視線速度法と呼ばれ、惑星の重力に引かれて恒星が前後に動く際の特徴的な揺れを観測します。その揺れの大きさから、惑星の「重さ」、つまり質量が分かります。
この方法により、1995年に発見された51ペガシをはじめ、最初の系外惑星が確認されました。発見したのは天文学者のミシェル・マイヨールとディディエ・ケローです。視線速度法を用いる地上望遠鏡は、これまでに約700個の惑星を発見しています。
しかし、系外惑星の大多数は影を探すことで発見されました。惑星が恒星の手前を横切るとき、恒星の光がごくわずかに暗くなります。天文学者はこの横切りを「トランジット」と呼びます。
恒星の光が暗くなる度合いから、トランジットする惑星の直径が分かります。当然ながら、惑星の影を探すこの方法はトランジット法と呼ばれています。
NASAのケプラー宇宙望遠鏡は、2009年の打ち上げ以来、この方法で約2,700個の系外惑星を確認しました。現在は「K2」ミッションに取り組むケプラーが、今も新たな惑星を発見し続けていますが、燃料はまもなく尽きる見込みです。
どちらの方法にも長所と短所があります。揺れを検出すれば惑星の質量が分かりますが、大きさ、つまり直径は分かりません。トランジットを検出すれば直径は分かりますが、質量は分かりません。
しかし、複数の方法を組み合わせれば、惑星そのものを直接撮像しなくても、惑星系全体の基本的な特徴を知ることができます。これまでの最良の例は、約40光年先にあるTRAPPIST-1系です。小さな赤い恒星の周りを、地球とほぼ同じ大きさの惑星が7つ公転しています。
TRAPPIST-1の惑星は、地上と宇宙の望遠鏡で調べられてきました。宇宙望遠鏡による観測では、直径だけでなく、互いに密集しているこの7つの惑星が及ぼす微妙な重力の影響も明らかになりました。これをもとに、科学者たちは各惑星の質量を算出しました。
これで、質量と直径が分かりました。恒星が放つエネルギーのうち、どれだけが惑星の表面に届くかも分かっており、科学者は温度を推定できます。さらに、光の明るさをかなり妥当に見積もり、その惑星に立ったとしたら空がどんな色に見えるかも推測できます。大気や海、氷床や氷河があるかどうかなど、まだ分からないことは多いものの、この7つの世界は私たちの太陽系を除けば、最もよく知られた惑星系となりました。
これからどこへ向かうのでしょうか。
次世代の宇宙望遠鏡が、いよいよ登場します。まずはTESSの打ち上げです。TESSはトランジット系外惑星探索衛星です。この並外れた観測機器は、地球に近い明るい恒星を対象に、空のほぼ全域を調査してトランジットする惑星を探します。トランジット観測の第一人者だったケプラーから、発見のバトンがTESSへ渡されます。
次にTESSが、より詳しく調べる有力候補を見つけ、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡による観測につなげます。ウェッブ望遠鏡は現在、2020年の打ち上げが予定されています。巨大な分割式集光鏡を展開し、屋根板のような構造の架台に載せるこの望遠鏡は、惑星そのものから届く光を直接捉える設計です。その光を複数の色に分けたスペクトルにすると、惑星の大気にどのガスが含まれているかを示すバーコードのようなものになります。観測対象には「スーパーアース」、すなわち地球より大きく海王星より小さい惑星が含まれるかもしれません。その中には、地球を大きくしたような岩石惑星もあり得ます。
こうした大型惑星については、生命に適しているものがあるかどうかも含め、ほとんど分かっていません。運がよければ、そのうち1つの大気に酸素、二酸化炭素、メタンの兆候が見つかるかもしれません。そうしたガスの組み合わせは、私たちの大気を強く思わせ、生命の存在を示している可能性があります。
しかし、地球サイズの系外惑星で地球に似た大気を探すには、2020年代または2030年代に登場する、さらに高性能な宇宙探査機の世代を待つことになるでしょう。
ケプラー望遠鏡による統計的な調査のおかげで、私たちは頭上の星々が多くの惑星を伴っていることを知っています。夜空を見上げるとき、系外惑星という隣人が数多くいることだけでなく、もう一つのことも確信できます。冒険はまだ始まったばかりです。
