水星の内側に灼熱巨大ガス惑星? - 名大、惑星形成の新物理機構の導出に成功

名古屋大学(名大)は11月6日、多重惑星系の形成過程を模擬した最新のコンピュータシミュレーションを実行した結果、「ホットジュピター(灼熱巨大ガス惑星)」はその軌道の外側に形成された地球型惑星によってその軌道を内側に追いやられ、最終的には恒星と衝突して飲み込まれるというメカニズムがあることを発見してそのメカニズムを「クラウディングアウト(押し出し)」と命名し、そのメカニズムを惑星系形成理論に導入すると「ホットジュピター近傍での惑星欠乏」を自然に説明することが可能であることを示したと発表した。

成果は、名大大学院 理学研究科の荻原正博博士研究員、同・小林浩特任助教、同・犬塚修一郎教授らの研究チームによるもの。研究の詳細な内容は、11月6日付けで天文学専門誌「Astrophysical Journal Letters」電子版に掲載された。

1995年の太陽系外惑星(系外惑星)の初発見以降、さまざまな手法で系外惑星の探査が行われてきており、現在ではおよそ750個の恒星の周りに1000個近くの系外惑星が発見されている。この750個の恒星の内およそ170個の周りには複数個の惑星が発見されており、「多重惑星系」であることが確認済みだ。

この多重惑星系の場合には1個しか惑星が発見されていない場合と比較してより多くの情報を得ることが可能となる。特に、惑星系が生まれた起源を特定する際には、複数の惑星の軌道情報は非常に有用だ。上記の惑星に加え、2009年に打ち上げられたケプラー宇宙望遠鏡は、3500個を超える系外惑星候補(あくまでも候補であり、別の観測手法ではまだ検証されていない)を発見しており、それらの候補の中にも多くの多重惑星系が含まれている。

これらの多重惑星系の観測数が増加するに従って、それらの系が共通して持つ特徴が見出されるようになってきた。その中で重要でかつ顕著な特徴として注目されているのが、「ホットジュピターの近傍にはほかの惑星が観測されない」という点だ(画像1)。しかし、この特徴の起源については観測的および理論的双方の立場から合理的な説明がなされておらず、その原因は不明だった。

観測的見地は、一般的に系外惑星探査では中心の恒星に近い軌道を持つ惑星ほど観測が容易であり、ホットジュピターの近傍領域(例えば恒星から0.1天文単位程度までの領域)に惑星が存在した場合にはそれは現在の観測技術で観測されてしかるべきだというもの。

そして理論的見地は、惑星系の成り立ちを解明することを目指す惑星系形成理論の研究では、ホットジュピターのような巨大ガス惑星のすぐ外側の軌道には惑星の材料物質となる固体が集中し、そこで惑星が効率的に形成することが期待されるというものだ。

荻原博士研究員らは、ホットジュピターの存在が近傍のほかの惑星の形成に何らかの影響を及ぼし、その結果として「ホットジュピター近傍での惑星欠乏」という観測的特徴が作り出されているのではないかという仮説を考案。惑星系形成を模擬するコンピュータシミュレーションを実行することで、これの検証が行われた。なお、シミュレーションの一部は国立天文台・天文シミュレーションプロジェクト所有の計算機が利用された形だ。

その結果、(1)ホットジュピターの外側の軌道で効率的に地球型惑星が形成すること、(2)その地球型惑星はホットジュピターと重力的に相互作用を起こし、ホットジュピターの軌道を内側(中心の恒星方向)へ押し出すこと、(3)ホットジュピターは恒星と衝突して恒星に飲み込まれ、最終的には地球型惑星のみが残ることが発見された。

この(2)で述べた現象はこれまでの研究では確認されていない新しい物理メカニズムであり、これを荻原博士研究員らは「クラウディングアウト(crowding out)」と命名した。今回の研究の成果を発表した論文の題目は「Crowding-Out of Giants by Dwarfs」だが、これは個々の質量はホットジュピターの約1/100しかない地球型惑星(ドワーフ、いわば小人)がホットジュピター(巨人)を追いやるという現象を端的に表すものとなっている。

画像4が、そのコンピュータシミュレーションによって明らかになったプロセスをまとめた模式図だ。(a)惑星系形成の初期に、恒星を取り巻く円盤状のガス中にホットジュピターと微惑星と呼ばれる数kmサイズの固体天体が存在すると考えられている。(b)ホットジュピターの外側の軌道で微惑星が合体・成長することにより、地球型惑星が成長していく。(c)地球型惑星がある程度成長すると、周囲のガス物質の影響から中心にある恒星の方向へと地球型惑星の軌道が移動。それにより、より内側にあるホットジュピターの軌道が中心星方向へと押し込まれていく。これがクラウディングアウトである。(d)結果的にホットジュピターは恒星と衝突してしまい、円盤ガスが散逸してなくなった最終状態では、地球型惑星のみが残るのである。

これは、ホットジュピターにとっては「皮肉な現象」といえるだろう。なぜなら、ホットジュピターの存在がその外側軌道に地球型惑星が効率的に形成することを助けるが(前述の(1)参照)、ホットジュピターは誕生する過程において助けたその小人たちによってその軌道から追いやられてしまうのだ。

今回の研究結果は、「ホットジュピター近傍での惑星欠乏」を自然に説明することが可能だ(画像5・6)。つまり、ホットジュピターの外側に地球型惑星が形成された場合にはホットジュピターは「クラウディングアウト」により恒星と衝突してしまい、地球型惑星のみが観測される。

一方、周囲の環境によってはホットジュピターの外側で地球型惑星は十分な大きさまで成長できない場合も考えられるという。この時「クラウディングアウト」の効果は弱く、最終的にはホットジュピターと火星サイズ以下の小さな地球型惑星が共存することになる。この場合は、現在の観測技術では小さな地球型惑星を観測することができないため、ホットジュピターのみが観測されるというわけだ。

それをまとめた模式図が、画像5と6である。ホットジュピターの外側軌道で成長する地球型惑星の大きさは、初期に存在する材料物質(徹惑星)の量に依存し、(a)のように材料物質が多い場合には、クラウディングアウト効果によりホットジュピターの軌道がほかの地球型惑星に押しやられて恒星に衝突して消滅する。その結果、複数の地球型惑星のみが観測されるというわけだ。

(b)のように材料物質が少ない場合には、ホットジュピターの外側に形成する地球型惑星が小さ＜、これらは効率的にホットジュピターの軌道を押し込むことができない。結果的にホットジュピターは残るのでその姿が観測されるが、その外側軌道に存在するはずの地球型惑星は火星サイズ以下のためと小さいために現在の観測技術では発見できず、従ってホットジュピターのみが観測されるのである。

今回の研究で考察された舞台は、新たな惑星系形成モデル「ハイブリッドシナリオ」の中で自然に発生するという。これまでの惑星系形成理論では、1960年代から80年代にかけて構築された「コア集積モデル(標準モデル)」と「重力不安定モデル」のいずれかを土台としてきたが、双方とも太陽系内の惑星の形成を首尾一貫して説明することができないという重大な問題を抱えていた。

コア集積モデルとは、恒星を取り巻く原始惑星系円盤の中で数kmの微惑星の合体して成長していくことにより、地球のような固体惑星が成長するという惑星系形成モデルである。ただし、固体惑星(固体コア)が10倍の地球質量程度の質量まで成長すると、大量のガスが急速に固体コアに流れ込み巨大ガス惑星が形成されてしまうなど、現在の惑星系形成の標準的モデルだが徹惑星の形成過程に困難があり今もって種々の問題点を含んでいる。

一方の重力不安定モデルは、原始惑星系円盤から短時間かつ直接的に巨大ガス惑星が形成されるという惑星系形成モデルだ。そのほかの地球型惑星は、ガス惑星からガス成分が取り除かれたものであると想定されている。しかし、これもまた地球型惑星の形成過程をうまく説明できていない。

こうした問題点を解決する第3のモデルとして、2009年に今回の研究チームの一員でもある犬塚教授が提唱したのが、「ハイブリッドシナリオ」だ。ハイブリッドシナリオは、恒星が形成された直後にその恒星の周囲の原始惑星系円盤から巨大ガス惑星が「重力不安定モデル」に従って形成され、その後に巨大ガス惑星軌道の外側領域で徹惑星および岩石惑星が「コア集積モデル」に従って形成されるとする惑星系形成シナリオである。

近年発展した星形成の理論に基づいて提案されたが、結果的にコア集積モデルと重力不安定モデル双方の問題点を解決する仕組みになっている点が特徴だ。今回の研究では、初めに形成される巨大ガス惑星は恒星に衝突して飲み込まれる場合があることを予言しており、その場合は太陽系の形成シナリオにもなり得るという。

そのハイブリッドシナリオを実際の惑星系形成過程の具体的な計算に適用した初めての研究が今回の研究である。そして早くもモデルの有用性が示されたことになり、その点に関しては「幸運なこと」と荻原博士研究員らは述べている。

今回の研究をきっかけに、今後の21世紀の惑星系形成理論ではハイブリッドシナリオを追求した研究が数多く行われることと思われ、それらの研究により惑星系形成理論の諸問題を解決するブレークスルーがなされることが期待されるという。

また、今回の研究で実行したコンピュータシミュレーションでの大きな成果といえば、惑星の形成段階に作用する新しい物理メカニズム「クラウディングアウト」の発見だろう。今後はこのメカニズムを取り入れたさらなる研究が行われることが期待されるとする(画像7・8)。

同様に、これまで未解明であった「ホットジュピター近傍での惑星欠乏」の起源を説明することができるという、多重惑星系における謎を解明したことも大きい。さらに、今回の研究では、ホットジュピターの近傍に共存し得る惑星の質量に上限を与えることもできており、今後の観測で発見されるべき惑星の姿を予測している。これは、将来の観測計画を立案する上で有用だという。