近くの氷惑星の大気をかじっている白色矮星が発見される

いつか、太陽は膨張して赤色巨星となり、その進路にあるすべてのものを焦がし尽くした後、崩壊して白熱した矮星となる。太陽系のような恒星を持つ太陽系では、この終末によって内惑星が消滅する傾向がある。しかし、生き残ったものは第二の人生を謳歌するチャンスがあると、天文学者たちは最近確認した。

白色矮星は、中性子星やブラックホールに崩壊しない程度に軽い、燃え尽きた中心核を持つ恒星で、天の川銀河には点在している。それらの恒星の前世は太陽のような普通の恒星だったことを考えると、少なくともいくつかは太陽系外惑星を宿しているはずだが、白色矮星太陽系を発見した者はいない。しかし今、研究者たちは、慎重な天文学的調査によって白色矮星太陽系を発見したかもしれないと考えている。数百光年離れた場所に残された不可解な化学痕跡は、近くの惑星の大気を餌にしている白色矮星の存在を示唆している。

「非常にユニークな構成なので、何らかの惑星と関係があるに違いないと思う」と、英国ウォーリック大学の物理学者で、最近ネイチャー誌に掲載された研究論文の共著者であるボリス・ゲンシケ氏は言う。「また、その大気の物質から判断すると、非常に大きく、非常に深い大気を持つ惑星であるに違いない」

白色矮星惑星系の史上初の検出は、少なくともいくつかの惑星が赤色巨星の後の未来を持っていることを証明するだけでなく、太陽系外惑星の大気を調査するための新しい技術を示すものでもある。

スローン・デジタル・スカイ・サーベイが発見した何千もの白色矮星の中で、地球から1500～2000光年離れたかに座の方向にあるこの星は、最初から奇妙に見えた。他の多くの望遠鏡と同様に、この望遠鏡は、物体が発する光の色を調べることでその化学組成を測定できる。水素からの過剰な光は、伴星からガスを吸い取っていることを示唆していたが、ゲンシケ氏は酸素原子から発せられる光もかすかに発見した。これは星では珍しいことだ。

さらに詳しく観察するため、彼と彼のチームは、世界で最も強力な望遠鏡の 1 つであるチリの超大型望遠鏡 (VLT) で 4 時間の貴重な観測時間を獲得しました。最初の 30 分で、彼は何か大きなものを目にしたと分かりました。VLT の鋭い目は、酸素と硫黄の両方の原子から発生する光子をはっきりと捉えました。これは、ゲンシケと彼の同僚がこれまで見たことのないものでした。「それは並外れたものでした」と彼は言いました。彼らはまた、その星が裸ではなく、水素、酸素、硫黄を含む回転するガスの円盤に包まれていることもわかりました。

研究チームはまず、いつもの容疑者を考えた。場違いな3つの元素は近くの恒星から流れ出ているのだろうか？ありそうにない。伴星が白色矮星を前後に引っ張っているはずで、かなり安定しているように見える。近くの小惑星や、過去の地球型または火星型の惑星の残骸はどうだろうか？そのような小さな岩石の天体はカルシウム、マグネシウム、鉄を豊富に含んでいるとゲンシケ氏は言うが、天文学者たちはそのような鉱物の兆候は見なかった。

矮星の奇妙な光に研究チームは困惑していたが、大きな惑星を作るのに必要な要素について考え始めた。ゲンシケが大きな転機を迎えたのは、太陽系の化学に関する教科書をざっと読んでいたときだった。天王星や海王星のような氷の巨星を深く掘り下げていくと、水氷（水素と酸素）と硫化水素氷（水素と硫黄）の層が見つかる、と彼は読んだ。すると突然、白色矮星の珍しい要素が意味をなした。それらは、近くの海王星類似体から沸騰しているガスの円盤から来ていたのだ。

研究チームは惑星の大きさ、位置、質量を直接測定することはできないが、モデル化により、海王星から木星ほどの大きさの氷巨星が白色矮星のすぐそばにあり、10日ごとにその周りを周回していることが示唆されている。恒星は猛烈な紫外線で惑星を照らし、その大気中の氷分子を粉砕して宇宙空間に吹き飛ばす。そこで、氷分子は彗星の尾のように惑星の背後に流れていく。紫外線は尾の大部分を宇宙空間に押し出すが、一部はガス円盤の内側に落ち込み、そこから一部の原子は最終的に白色矮星自体に螺旋状に落ち込む。

恒星が冷えると、惑星への放射線量はそれほど強くなくなり、やがて原子の流れは止まる。全体として、惑星はおそらく全質量の数パーセントを失うだろうと研究チームは見積もっている。

最後の謎は、海王星のような惑星がどのようにしてこの恒星系の氷に覆われた外側の深部から岩石惑星の温暖な内部領域へとたどり着いたのか、そして恒星の赤色巨星の暴走中にどのようにして破壊を免れたのかということだ。「最もありそうなのは、この系に少なくとももう 1 つの惑星があるということ、あるいはそれ以上かもしれないということです」とゲンシケ氏は言う。

研究チームは、さらに大きな巨星がはるか遠くに潜んでいると推測している。この恒星が白色矮星になった後、この氷巨星と他の惑星の1つが接近し、その衝突によってこの惑星が恒星に向かって内側に跳ね返ったに違いない。

次に、研究グループはこのシステムを使って、この惑星が実際にどれほど海王星に似ているかを正確に解明したいと考えている。太陽系外惑星の大気を調べることは天文学の急成長分野だが、惑星は暗いため、特定の原子を拾い上げることはほとんど不可能である。しかし、白色矮星とそのガス円盤は、盗まれた元素で直接光り、この海王星の構成が少しは分かりやすくなる。

来年、ハッブル宇宙望遠鏡は鏡をこの系に向け、紫外線で白色矮星を観測する予定で、研究チームは炭素と窒素を発見できる可能性が高い。宇宙化学に加え、ゲンシケ氏は、惑星の尾が恒星から外側に螺旋状に伸びていく痕跡など、系自体のダイナミクスを最終的に垣間見ることができるという希望も抱いている。「今後の観測でそれを検出できるかどうか試してみたいと思います」と同氏は言う。「そうなったら素晴らしいことです」。