おそらく存在しないメガ・アース
惑星形成理論は、岩石惑星に上限を設けている。成長中の核が地球の約10倍の質量を超えると、暴走的なガス降着を避けられなくなる。若い恒星のまわりの円盤からガスを引き込み、ガスに富んだ惑星になるのだ。衝突や侵食のシミュレーションも同じ限界を示す。実際の惑星の測定では、裸の岩石からガスに包まれた惑星への切り替わりは、さらに低く、地球の4〜5倍の質量あたりに位置している。
それなのにここ数年、岩石の密度を持ちながら、地球の10倍を大きく超える質量を持つ惑星がいくつか見つかっている。一部の天文学者はそれを**「メガ・アース」**と呼ぶ。それを説明するには、風変わりな歴史が必要になる。ガス円盤が消えたあとの遅い衝突や、かつての巨大惑星がはぎ取られた核といったものだ。
モントリオールにあるマギル大学トロティエ宇宙研究所のケイシー・ブリンクマン(Casey Brinkman)とニコラス・コーワン(Nicolas Cowan)は、もっと単純な問いを立てた。これらの惑星は、本当にそれほど重いのだろうか。
恒星のふらつきで惑星の重さを量る
これらの質量のほとんどは視線速度から得られている。惑星が公転すると、恒星を前後に引っ張る。すると恒星の光の色がごくわずかにずれる。そのふらつきの大きさから、惑星の質量がわかる。
問題は、恒星が静かではないことだ。磁気的に活動的な恒星には、恒星とともに回転する暗い黒点や明るい斑点がある。それが測定にノイズを加え、視界に回り込んでくる黒点が惑星の信号をまねたり、水増ししたりすることがある。
8つの容疑者、一つの共通点
2人はNASA系外惑星アーカイブから出発し、半径が地球の4倍より小さく、信頼できる半径と視線速度による質量を持つ333個の惑星を選んだ。見つかったのは次のものだ。
- 岩石の密度を持ち、地球の10倍を超える質量の4つの惑星:WASP-84 c、TOI-1347 b、TOI-2322 c、HD 63433 b。
- 上限を超えていながら、水素・ヘリウムの外層をほとんど持たないさらに4つ:GJ 523 b、TOI-815 c、HD 18599 b、GJ 143 b。
各主星の活動度を測るため、2人は恒星の高温の外層が放つカルシウムの光に基づく指標を使った。この光は磁気による加熱で明るくなる。値が−4.75を超えると、その恒星は活動的とみなされる。TESSミッションによる明るさの測定でも、各恒星が黒点の回転につれて暗くなったり明るくなったりするようすがわかる。
結果は、8つすべてが活動的な恒星を回っているというものだった。惑星の質量と活動度の両方が測定されている37個の恒星のうち、活動的なのは13個だけだ。
偶然である確率
メガ・アースが均等に散らばっているなら、岩石的な4つがすべて活動的な恒星のまわりにある確率は次のとおりだ。
p = 13/37 × 12/36 × 11/35 × 10/34 = 0.01
約1%だ。残りの4つを加えると、0.0003に下がる。
若く活動的な恒星が、単にメガ・アースを作るのが得意だという可能性はあるだろうか。著者らはその理由を見いだせない。メガ・アースを作るには、追加の衝突、公転周期0.8〜20日の軌道への内向きの移動、そしておそらく厚い大気のはぎ取りが必要で、そのどれにも時間がかかる。むしろ、こうした惑星は年老いた恒星に多いはずだ。
どこで質量を誤るのか
元の測定はすべてガウス過程を使っていた。恒星のノイズをモデル化し、惑星の信号を分離するための統計的な道具だ。しかし柔軟すぎるモデルは、間違った信号を吸収し、大きすぎる質量を出してしまうことがある。それぞれのケースは脆弱に見える。
- WASP-84のまわりでは、恒星のゆらぎ(約13 m/s)が惑星の信号(7.7 m/s)より大きい。
- TOI-2322は21.28日で自転し、その惑星は20.23日で公転している。
- 最も重い地球37個分の質量を持つHD 63433 bは、別のチームではまったく検出されず、そのチームは上限を地球21個分とした。
- 3つの惑星は、この種のモデルが信頼できないことが知られている、発表済みの信号対雑音比のしきい値を下回っている。
著者らは前例を挙げている。処理されていなかった周期的な信号のために、質量が3倍に水増しされていたとわかった別の惑星だ。
岩石の巨人はいない、今のところは
著者らの結論は、地球の10倍を超える質量を持つ岩石惑星について、説得力のある証拠はないというものだ。活動的な恒星のまわりの惑星の視線速度による質量は、懐疑的に見るべきだ。「そうした惑星の存在が惑星形成についての私たちの考え方に疑問を投げかける場合は、なおさらだ」。著者らは、恒星の活動と惑星の両方を十分にサンプリングできるよう、観測のタイミングを工夫することを提案している。
この議論は統計的なもので、小さな標本(8つの惑星と37個の恒星)に基づいている。著者らは、元の質量のフィットをやり直してはいない。