いくつかの太陽系外惑星は傾きすぎて、他の惑星との距離が離れている

過去 10 年間の太陽系外惑星の爆発的な発見により、銀河のどこかに地球のような別の世界があるのではないかという期待が高まっている。しかし、それはまた、私たちの惑星系以外の恒星系における奇妙な特異性、つまり、惑星が何の説明もなく奇妙な配列や偏心配置を示すという新たな認識にもつながっている。たとえば、太陽系外惑星のペアが、互いに本来あるべきよりも不規則な軌道を描いているように見える傾向は、ほぼ 10 年間天文学者を困惑させてきた。

ついに、なぜこのようなことが起こるのか、そしてそれが居住可能な惑星の発見に何を意味するのか、いくつかの答えが得られたようだ。ネイチャー・アストロノミー誌に発表された新しい研究結果によると、これらの太陽系外惑星のペアは、極が非常に急に傾いていることが多く、それが「黄道傾斜」（惑星の軸と軌道の関係）を促進し、惑星同士を引き離すという。その結果、惑星は極端な季節変化や厳しい気候に見舞われ、何らかの生命が居住可能な環境を維持する能力に影響する可能性がある。

恒星の周りを回る惑星の軌道力学について現在わかっていることから、特定の配置が見られることが予想されます。惑星と衛星は、それぞれの軌道を進むときに同じ地点で互いを通過する、いわゆる軌道共鳴状態に陥ることがよくあります。もちろん、すべての惑星と衛星がこのように動作するわけではありませんが、共鳴は頻繁に発生します。これは単なる偶然の現象ではなく、物理学です。

しかし、太陽系外惑星が次々と発見されるようになって以来、天文学者たちは、他の恒星系の多くの惑星ペアが共鳴に反する軌道周期を持ち、予想よりもはるかに離れた軌道を回っていることに気づいた。そして、小惑星の重力の影響や宇宙ガスの過剰など、疑われていた理由はどれも証明されていない。

それでも、手がかりはいくつかありました。これまでの研究（木星の衛星や悪名高い傾きを持つ天王星の観測など）から、2 つの天体の軌道は、十分なエネルギーが散逸すれば引き離される可能性があることがすでにわかっていました。惑星が恒星に近い軌道を回っている場合、恒星は惑星にもっと激しい潮汐力を発生させることができ、軌道エネルギーを熱エネルギーに変換するのに効果的です。その熱エネルギーの散逸は、実際に惑星の軌道を変えるのに十分かもしれません。

しかし、軌道が近いだけでは、天文学者がこれらの太陽系外惑星系の多くで観測している現象を説明できません。何か他のものが、世界全体を移動させる可能性のある極端な潮汐消散に寄与しています。そして、結局のところ、その要因は大きな軸の傾きである可能性が高いことがわかりました。集中した領域で新しい軌道を持つ若い惑星は、高い傾斜角を維持することを余儀なくされる可能性があり、その結果、軌道は予測よりもはるかに急激にシフトします。惑星のペアでは、軌道は共鳴パターンからさらに離れることになります。

「黄道傾斜によって強い潮汐力が生じ、潮汐力によって軌道が移動、つまり『形作られる』のです」と、イェール大学の天文学者でこの新しい研究の筆頭著者であるサラ・ミルホランド氏は言う。「これまでは、太陽に近い太陽系外惑星の軸の傾きはゼロだと一般的に考えられていました。しかし、私たちの研究はそうではないことを示唆しています。」

この研究は理論を提唱しているに過ぎず、この仮説を裏付ける太陽系外惑星の軸の傾きを直接測定したものはない。しかし、これはおそらく天文学界で10年にわたる謎であったことに対する最良の説明であり、その影響は侮れない。太陽系外惑星研究の取り組みはすべて、居住可能な惑星を見つけるという希望のもとに進められており、新しい発見は、その探索に関しては特定の天体物理学的力学が重要であることを裏付けている。これらの傾斜は気候や気象パターンを乱すだけでなく、惑星に過剰な熱を蓄積させる可能性もある。それは、温暖な地球と灼熱で窒息するような金星の違いを生む可能性がある。

「ケプラーが発見した惑星のほぼすべては、完全に居住不可能です」と、新論文の共著者であるイェール大学の天文学者グレゴリー・ラフリンは言う。「これには、少なくとも 1 つの惑星が高傾斜角を持つと考えられる惑星ペアが含まれます。しかし、今後興味深いのは、低質量の恒星を周回する居住可能な可能性のある多くの惑星が、私たちが調査した傾斜角のメカニズムの影響を受ける可能性があることです。」最も注目すべきは、これには悪名高い 7 つの惑星からなる TRAPPIST-1 システムが含まれることです。このシステムでは、3 つの世界が居住可能領域にあり、合計 5 つの世界がさまざまな程度で表面水が存在する可能性を示しています。

ラフリン氏は、高い自転軸傾斜角が惑星の気候に目に見える影響を与えることは明らかだが、自転軸傾斜角の大きさが惑星全体の居住可能性にどの程度影響するかについては依然として議論の余地があると強調する。地球の 23.5 度の傾斜角は明らかにここでは問題にならないが、数十光年離れた恒星系に不穏な影響を及ぼすほど急峻な傾斜角である可能性がある。

実際に何が起きているのかを確認するには、多くの追跡調査が必要であり、それは太陽系外惑星の黄道傾斜を実際に観測し、特徴づけることから始まります。しかし、このような研究がなければ、黄道傾斜はほとんどの天文学者にとって未だに認識されていないままでしょう。「私たちは、太陽系内のややわかりにくい特殊なケースに適用された理論を使用し、それが太陽系外のコンテキストでも見事に機能することを示しました」とラフリンは言います。