惑星の公転軌道面が傾くのは後天的か

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2つの若い系外惑星の運動の分析から、太陽系と同じように惑星の公転軸と恒星の自転軸がほぼ揃っていて、公転軌道面がほぼ傾いていないことが突き止められた。

【2020年9月9日 アストロバイオロジーセンター

近年、観測手法の向上によって、誕生後間もない若い恒星の周りでも惑星が次々と発見されている。若い惑星には形成当時の環境に関する手がかりが残されていると考えられるので、惑星系の起源を探る上で重要な観測対象だ。惑星の性質は時間とともに変わるが、中でも惑星の公転面の傾き(惑星の公転軸と恒星の自転軸のなす角度)は、惑星同士の重力的な相互作用や恒星との潮汐相互作用によって変化していくことが理論から示唆されている。

これまでに惑星の公転面の傾きが調べられた系は100個以上存在するが、そのほとんどが、従来の手法で観測の容易な年齢10億年以上の壮年期の惑星系である。惑星がどのような軌道で誕生したかを探るためには、より若い惑星系を調査する必要があった。

東京工業大学の平野照幸さんたちの研究チームは、年齢約2300万年の「がか座β星運動星団」に属する「けんびきょう座AU星」と、おうし座のヒヤデス星団(年齢約6億年)に属する「K2-25」という2つの若い恒星に注目した。それぞれに、地球から見て恒星の手前を横切るような運動をする海王星サイズの惑星が見つかっている。

若い恒星は壮年期の恒星よりも低温になる傾向があり、今回観測された2つの恒星はいずれも表面温度が低い。そのため可視光線では観測が難しいが、一方で赤外線では明るく観測しやすい。また、若い恒星の表面活動の影響は、赤外線で観測するときには小さくなる傾向がある。そこで研究チームは、すばる望遠鏡に搭載されている赤外線高分散分光器「IRD」を用いて観測を実施した。

惑星が恒星の前面を通過する間に恒星のスペクトル中を惑星の影がどのように動くのかについて、ドップラー効果を用いて調査する「ドップラー・シャドウ」という手法による解析の結果、どちらの惑星も、公転軸が中心星の自転軸とよく揃っていることが明らかになった。このうち、けんびきょう座AU星の惑星は、公転面の様子が観測された最も若い惑星となった。

若い惑星系の想像図
若い惑星系の想像図。惑星の公転軸が中心星の自転軸と揃っている(提供:アストロバイオロジーセンター、以下同)

若い惑星系で公転面が傾いていないという事実は、これまでの観測結果を解釈する上でも重要な意味を持つ。誕生から約45億年の太陽系では惑星の公転面はほとんど傾いていないが、他の恒星系では、調べられたうちの約3分の1で惑星の公転面が大きく傾いている。

今回観測された若い惑星系で公転面が傾いていなかったという事実は、軌道が傾いている惑星には誕生後しばらく経ってから何らかの作用が働いたことを示唆するものだ。今後さらに多くの若い惑星系で同様の観測を行うことで、軌道が傾いた惑星の起源が明らかになると期待される。

恒星の自転軸と惑星の公転面の模式図
恒星の自転軸と惑星の公転面の模式図。惑星の誕生直後(左)に惑星の軌道は傾いておらず、その後に惑星の軌道が傾く場合と傾かない場合がある