カイパーベルトの外縁部で太陽系の平面がゆがんでいる。このことは、冥王星よりはるか遠く、しかし第9惑星よりはずっと近い場所に、火星から地球ほどの質量を持つ未知の惑星状天体が存在する可能性を示唆している。
新たな研究によると、小惑星の軌道から、太陽系の外縁部に未知の、まだ観測されていない「惑星質量天体」が潜んでいる可能性がある。
その天体は、存在がまだ確認されていない惑星、いわゆる第9惑星とは異なり、はるかに近い場所にあると考えられる。
火星と同じほどの質量
新たな論文で科学者たちは、火星と地球の中間ほどの質量を持つ、これまで発見されていなかった惑星状天体の存在を示す有力な証拠を提示している。この謎の質量体は、今のところ、太陽系の氷に覆われた外縁部にあるカイパーベルト天体（KBO）と呼ばれる岩石天体群の軌道面を支配することで、その存在を明らかにしている。
太陽系の形成時に残された破片であるKBOの大半は、軌道傾斜角が平均すると、惑星科学者が太陽系の不変面と呼ぶ平面に沿うように太陽を公転している。一方、カイパーベルトで最も遠方にある天体はそうではない。
それらの平均軌道面は、不変面から約8度傾いている。つまり、未知の何かが太陽系外縁部の平均軌道面をゆがめている。
「私たちの結果を最もよく説明できるのは、観測されていない質量体が存在するということです」と、アリゾナ大学月惑星研究所の博士研究員で、Astronomical Journal誌に掲載された研究の筆頭著者であるカット・ヴォルク氏は述べる。「私たちの計算によれば、測定したゆがみを生じさせるには、火星ほどの質量を持つ天体が必要です。」
カイパーベルトは海王星の軌道の外側にあり、数百天文単位（AU）先まで広がっている。1 AUは地球と太陽の間の距離に相当する。火星と木星の間にある小惑星帯が太陽系内側にある対応物であるのと同様、カイパーベルトには多数の小惑星が存在する。その大半は彗星の前駆体となる小さな氷天体で、準惑星もいくつか含まれる。
研究者たちは、カイパーベルトにある600個を超える天体の軌道面の傾斜角を分析し、それらの軌道面が歳差運動する共通の方向を特定した。歳差運動とは、回転する物体の向きがゆっくりと変化する、いわば「揺れ」のことだ。
LPLの惑星科学研究教授で共著者のレヌ・マルホトラ氏によると、KBOはコマのように振る舞う。
「高速で回るコマがたくさんあり、それぞれに少しずつ衝撃を与えるところを想像してください。その様子をある瞬間に撮影すると、コマの回転軸の向きはそれぞれ異なりますが、平均すれば地球の局所的な重力場の方向を向いているでしょう。
「それぞれのKBOの軌道傾斜角の向きは異なりますが、平均すれば、太陽と巨大惑星が形作る平面に垂直な方向を向いていると考えられます。」
偶然ではない
太陽系外縁部の天体の平均軌道面を一枚のシートと考えると、50 AUを超えた先でもかなり平坦なはずだと、ヴォルク氏は言う。
「しかし、50 AUから80 AUへとさらに遠くに進むと、平均軌道面が実際に不変面からゆがんでいることがわかりました。測定されたゆがみには一定の不確実性がありますが、このゆがみが、限られたKBOの観測サンプルによる統計上の偶然にすぎない確率は1〜2％を超えません。」
つまり、この影響は統計上の偶然ではなく、実際の現象である可能性が高い。計算によると、太陽から約60 AUの距離を、既知の惑星の平均軌道面に対して約8度傾いた軌道で公転する火星質量の天体は、遠方のKBOの軌道面を、その両側およそ10 AUの範囲でゆがめるだけの重力的影響を及ぼす。
「観測された遠方のKBOは幅約30 AUの帯状領域に集中しており、時間の経過とともに、そのような惑星質量天体の重力の影響を受けるでしょう」とヴォルク氏は述べる。「その距離にわたる観測上のゆがみを引き起こすものとして、惑星質量の天体を1つ仮定するのは不合理ではありません。」
このことから、今回想定された天体が、ほかの観測結果をもとに存在が示唆されている仮説上の第9惑星である可能性は排除される。その惑星は、はるかに重く（地球質量の約10倍）、さらに遠い500〜700 AUの位置にあると予測されている。
「それほど遠くにあっては、これらのKBOに影響を及ぼせません」とヴォルク氏は言う。「その範囲のKBOに大きな影響を与えるには、間違いなく100 AUよりずっと近くになければなりません。」
定義上、惑星はKBOのような小惑星を軌道上から一掃していなければならないため、著者らは仮説上の質量体を「惑星質量天体」と呼んでいる。また、データからは、ゆがみが複数の惑星質量天体によって生じた可能性も排除されない。
では、なぜまだ見つかっていないのだろうか。おそらく、太陽系遠方の天体を探すために、空全体をまだ調査していないからだ。惑星質量天体が隠れている可能性が最も高いのは銀河面だろう。そこは星が非常に密集しているため、太陽系の天体調査では避けられる傾向にある。
「適切な明るさと距離にある天体をまだ発見できていないのが、単に調査の限界による確率は、約30％と推定されています」とヴォルク氏は述べる。
カイパーベルト外縁部の天体の軌道面を乱した、観測されていない天体に代わる説明として、（天文学的な尺度で）近年、太陽系のそばを通過した恒星の可能性があると著者らは述べている。
「通過する恒星は、すべての『コマ』を一方向に引き寄せるでしょう」とマルホトラ氏は言う。「恒星が去れば、KBOはすべて以前の軌道面の周りで歳差運動を再開します。そのためには約100 AUという極めて近い距離を通過する必要があり、ゆがみは1,000万年以内に消えてしまうので、可能性の高いシナリオとは考えていません。」
大型シノプティック・サーベイ望遠鏡の建設が完了すれば、人類がこの謎の天体を目にする機会は比較的早く訪れるかもしれない。アリゾナ大学（UA）を含むコンソーシアムが運営するこの装置は、2020年に初観測を予定しており、夜ごとに前例のないリアルタイムの空の調査を行う。
「LSSTによって、観測済みのKBOの数は現在の約2,000個から40,000個に増えると予想しています」とマルホトラ氏は述べる。「実際にはもっと多くのKBOが存在しますが、まだ見えていないだけです。LSSTでも遠すぎたり暗すぎたりして見つけられない天体もありますが、現在の調査よりはるかに網羅的に空を観測するため、もしこの天体が存在すれば検出できるはずです。」
