今週、惑星形成の標準的なシナリオに当てはまらない惑星を研究者たちが発見した。コンパクトな赤色矮星系であるLHS 1903において、最も外側を回る惑星が、ガスに富んだ膨らんだ姿ではなく、高密度で岩石質の天体であることが明らかになったのだ。ESA（欧州宇宙機関）のCHEOPSミッションによる新たな観測を含む高精度なサイズと質量の測定により、4番目の遠方の惑星は、従来の理屈ではミニ・ネプチューンであるはずの場所にあるにもかかわらず、そのバルク特性は地球型惑星（岩石惑星）に近いことが示された。この発見により、モデル構築に携わる研究者たちは計画の練り直しを迫られており、形成のタイミングや円盤の進化、そして代替となる形成経路がどのように惑星系を形作るのかについて、新たな探究の道が開かれている。
教科書的なパターンを覆す惑星を研究者が発見
この発見が衝撃的なのは、天文学者が長年、単純な物語に依拠してきたからだ。すなわち、惑星は原始惑星系円盤の中で形成され、その結果は主に温度と利用可能なガス量によって決まるというものである。恒星に近い場所では、高温と光蒸発によって軽いガスが剥ぎ取られ、岩石質の核（コア）が残る。一方、より遠方では、低温な環境により惑星は厚い水素・ヘリウムの外層を保持でき、ガス惑星となる。LHS 1903系も、当初はそのパターンに従っているように見えた。内側に1つの岩石惑星、中間に2つのミニ・ネプチューンが存在していたからだ。しかし、新たなトランジットデータによって、恒星から最も遠い軌道を回る4番目の惑星LHS 1903 eが発見され、そのサイズと質量は主に岩石組成であることを示していた。外縁部にコンパクトな岩石惑星が存在するというこの配置は、天文学者が何百もの太陽系外惑星系を解釈するために用いてきた「内側が岩石、外側がガス」という配置に真っ向から異を唱えるものである。
LHS 1903系のマッピング
LHS 1903は小さな赤色矮星である。このクラスの恒星は銀河系に数多く存在し、太陽のような恒星に比べてトランジット信号や視線速度信号が相対的に大きいため、小さな惑星の検出には特に適している。この主星にはこれまで、短周期の岩石惑星と、それより離れた位置にある2つの大きなガス質の惑星という、3つの惑星が整然と構成されていることが知られていた。そのパターンは、原始惑星系円盤内での古典的な形成モデルと一致していた。
その後の追跡観測では、地上からの視線速度測定と宇宙からのトランジット測光が組み合わされた。CHEOPSによる精密な半径測定と、力学的制約から得られた質量を合わせることで、驚くべき事実が判明した。最外郭の天体であるLHS 1903 eの密度は、広がった水素の外層を持つモデルとは矛盾していたのだ。研究チームは、ガス外層を剥ぎ取った巨大衝突や、コアを外側に移動させた大規模な軌道の再編といった明らかな代替案を検討したが、現在の系の軌道構造や数値シミュレーションの結果から、いずれも可能性は低いと判断された。代わりにデータが示唆しているのは、場所と同じくらい惑星の集積のタイミングとガスの消失時期が重要であったという形成史である。
「内側から外側へ」の形成を示唆する惑星を研究者が発見
有力な説明の一つは、「内側から外側へ」という集積のシーケンスである。円盤が進化するにつれて惑星が異なる時期に形成され、後から形成された天体はガスが乏しい環境で固体物質から構築された可能性があるというものだ。もしこの外側の惑星が、恒星への粘性降着や恒星放射による光蒸発、あるいは円盤風によって原始惑星系円盤のガス成分のほとんどが消失した後に集積したのだとすれば、膨らんだ大気を形成するのに必要な水素やヘリウムが不足し、結果として高密度の岩石惑星になったと考えられる。
広がる宇宙のルールブレイカーたちのカタログ
惑星の形成過程に関する前提条件の修正を迫っているのは、LHS 1903 eだけではない。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は昨年、全く異なる極端な例を明らかにした。都市サイズの中心核を持つ中性子星の周囲を回る木星質量の伴星、PSR J2322-2650bである。その炭素に富む煤（すす）に満ちた大気とレモン型の形状は、通常の惑星形成経路を完全に否定している。この天体は、通常の恒星の周囲で見られるような穏やかな集積やガス捕捉ではなく、質量移動や剥離、極限圧力下での炭素の結晶化といった、エキゾチックな進化経路を経てその特性を得た可能性が高い。
これらの例外を比較することは、起こりうる驚きの範囲を把握する上で有用である。LHS 1903 eは、比較的控えめな不一致（「場違いな場所にいる岩石惑星」）であり、円盤の進化とタイミングが重要な変数であることを示している。一方でパルサーの伴星は、稀ではあるが重要な代替経路を浮き彫りにする劇的な例外である。潮汐剥離、恒星進化、そして形成後のプロセスが、単純な誕生モデルでは予測できないような状態へと大気やバルク組成を形作り得ることを示している。総合すると、こうした発見は、惑星形成が多様な経路を持つ問題であり、我々が観測する幅広い種類の多様な世界を生み出すための実行可能なルートが複数存在することを示している。
モデラーが変更を迫られる点
差し当たっての示唆は、形成モデルにおいて時間を固定された背景としてではなく、動的な要素として扱う必要があるということだ。静止した円盤内での一回限りの惑星形成期を想定したシミュレーションでは、段階的な形成や急速なガスの飛散、あるいは変動するペブルや微惑星のフラックスによって生じる構造を見逃すリスクがある。天体物理学者は、光蒸発率、磁気風、そして形成中の惑星が周囲の固体物質に及ぼす逆反応など、より現実的な円盤の進化をポピュレーション・シンセシス・コードやN体シミュレーションに組み込む必要があるだろう。
観測者の側では、様々な距離において正確な半径と質量を持つ、詳細に特徴付けられた系のサンプルを増やすことに注力することになる。CHEOPS、TESS、視線速度分光器、そしてJWSTがそれぞれ役割を果たすことになるだろう。CHEOPSとTESSはトランジット信号を発見・精緻化し、精密な視線速度は質量と密度を与え、JWSTは希薄な大気の有無を探索できる。もしLHS 1903 eが単一の特異例であることが証明されれば、モデルでは端的なケースとして記録されるだろう。しかし、同様の外郭岩石惑星が他の系でも見つかるようであれば、理論家たちはより広範な「典型的な結果」を受け入れ、形成確率の報告方法を再構築しなければならない。
結局のところ、この発見は、観測上の驚きこそが進歩の原動力であることを思い出させてくれる。期待通りに振る舞わない惑星は、理論の失敗ではなく、我々が組み込むべき物理学（タイミング、円盤の消失、移動、あるいは形成後の破滅的なイベント）をより豊かにする必要があるという信号なのだ。LHS 1903 eはその信号を白日の下にさらし、研究者たちはすでに、このようなルール破りの惑星が銀河系にどの程度一般的であるかを理解するために、より深い観測と広範な探索を計画している。
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