MITなどの天文学者が初めて、周回する惑星に反応して脈動する恒星を観測しました。
HAT-P-2という恒星は地球から約400光年離れており、その周囲を木星の8倍の質量を持つ巨大ガス惑星が公転しています。この惑星は、現在知られている系外惑星の中でも特に質量が大きいものの一つです。HAT-P-2bと名付けられた惑星は、非常に離心率の高い軌道を描き、恒星のすぐ近くを通過した後、遠くまで飛び去り、やがて再び恒星の周りを回ります。
研究者らは、NASAのスピッツァー宇宙望遠鏡が捉えたHAT-P-2の観測データを350時間以上にわたって分析し、恒星の明るさが87分ごとにごくわずかに変動するように見えることを発見しました。特に、恒星は惑星の公転周波数、つまり惑星が恒星の周りを回る速さの正確な整数倍の周期で振動しているようです。
脈動のタイミングが正確に一致することから、研究者らは、系外惑星の振る舞いに関する理論モデルに基づく予測の多くに反して、HAT-P-2bは恒星を周期的にゆがませるほど質量が大きく、その反応として恒星の溶融した表面を閃光のように輝かせたり、脈動させたりする可能性があると考えています。
「惑星が恒星を実際に励起することはないと思っていましたが、この惑星はそうすることが分かりました」と、MIT地球・大気・惑星科学部門の博士研究員、ジュリアン・ド・ウィット氏は言います。「この2つの間には物理的なつながりがありますが、現時点では実際のところ説明できません。つまり、恒星の伴星によって引き起こされる、謎めいた脈動なのです」
ド・ウィット氏は、研究成果を詳述した論文の筆頭著者です。この論文は本日、Astrophysical Journal Lettersに掲載されました。
脈動を捉える
研究チームは偶然、恒星の脈動を発見しました。当初、研究者らは系外惑星が恒星の周りを公転する間の温度分布を精密に示す地図を作ろうとしていました。その地図があれば、惑星の大気中でエネルギーがどのように循環するかを科学者が追跡でき、大気の風のパターンや組成を知る手がかりになります。
この目的から、研究チームはHAT-P-2を理想的な系と考えました。惑星の軌道は離心率が高いため、極端な温度の間を行き来し、恒星から遠く離れると
低温になり、恒星のすぐ近くまで大きく近づくと急速に熱せられます。
「恒星は惑星の大気に膨大なエネルギーを注ぎ込みます。私たちの当初の目的は、惑星の大気がこのエネルギーをどのように再分配するかを調べることでした」とド・ウィット氏は言います。
研究者らは、2011年7月から2015年11月にかけて、スピッツァーの赤外線望遠鏡が断続的に撮影したHAT-P-2の観測データを350時間分取得しました。このデータセットは、スピッツァーがこれまでに収集した中でも最大規模のものの一つで、系外惑星の温度分布を地図にするために必要な、きわめて微弱な信号を検出するのに十分な観測データをド・ウィット氏らに提供しました。
研究チームはデータを処理し、惑星が恒星に最も接近し、まず恒星の手前を通過してから背後を通る時間帯に焦点を当てました。この期間に、研究者らは恒星の明るさを測定し、熱の形で惑星に移るエネルギー量を調べました。
惑星が恒星の背後を通過するたび、研究者らは予想外のものを目にしました。惑星が恒星に隠れることで一時的に明るさが落ちる様子を示す平坦な線ではなく、小さなスパイク状の変動が観測されたのです。恒星の光は約90分の周期で振動しており、その周期は惑星の公転周波数の正確な整数倍でした。
「信号はとても微弱でした」とド・ウィット氏は言います。「何マイルも離れた場所で、ジェットエンジンのそばを飛ぶ蚊の羽音を聞き取るようなものでした」
数多くの理論、そして大きな謎
恒星の表面が自然に沸き立ち、入れ替わることで、恒星の脈動は絶えず起こり得ます。しかし、ド・ウィット氏らが検出した微弱な脈動は、惑星の公転と連動しているようです。研究者らは、この信号は恒星そのものに由来するのではなく、周回する惑星か、スピッツァーの機器による影響のいずれかだと結論づけました。
研究者らは、測定に影響した可能性のある振動など、機器に起因するあらゆる影響をモデル化しました。その結果、観測された脈動を生み出し得る影響は一つもないと分かり、機器による影響を除外しました。
「この脈動は惑星によって引き起こされているに違いないと考えています。これは驚くべきことです」とド・ウィット氏は言います。「超大質量の恒星が2つ回転する系では、一方がもう一方を大きくゆがませ、そのゆがみが解消されると、もう一方が振動する現象を見てきました。しかし、惑星で、たとえこれほど質量が大きくても、同じことが起きるとは予想していませんでした」
「本当にわくわくする発見です。私たちの解釈が正しければ、惑星が母恒星で起こる物理現象に大きな影響を与え得ることを示しています」と、デンマークのオーフス大学の博士研究員で共著者のビクトリア・アンティチ氏は言います。「言い換えれば、恒星は自分の惑星を『知っていて』、その存在に反応するのです」
研究チームはいくつか、惑星が恒星を脈動させる仕組みについて仮説を立てています。たとえば、惑星の一時的な重力が恒星を乱し、自ら脈動する段階へと移行するきっかけを与えているのかもしれません。自然に脈動する恒星があり、HAT-P-2bが恒星をその状態へと押し進めている可能性があります。煮立った鍋に塩を加えると吹きこぼれることがあるのと似ています。ド・ウィット氏によると、これはいくつかある可能性の一つにすぎず、恒星の脈動の根本原因を解明するには、さらに多くの研究が必要です。
「これは謎ですが、すばらしいことでもあります。惑星が恒星に及ぼす影響について、私たちの理解がまだ完全ではないことを示しているからです」とド・ウィット氏は言います。「ですから、研究を進めて何が起きているのかを解明しなければなりません」
この研究は、NASAジェット推進研究所およびカリフォルニア工科大学から一部助成を受けました。
