ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が捉えた、ルビーやサファイアが降り注ぐ可能性のある気象現象とは？

夕暮れの空が水を分解してしまうほどの熱を帯び、時速1万1,000マイルの暴風が吹き荒れ、夜が訪れれば液体になったルビーやサファイアが降り注ぐ――そんな世界を想像してみてください。これはSFの話ではなく、地球から約880光年離れた「超高温木星（ウルトラホット・ジュピター）」であるWASP-121bについて、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）が本日発表した最新の気象予報です。

WASP-121bは、主星のすぐ近くを公転するために公転周期が「日」ではなく「時間」単位で計測されるガス巨大惑星、「超高温木星」という系外惑星の一種です。この惑星の場合、公転周期はわずか30.5時間。そのあまりの近さゆえに、主星の重力によって惑星は球体からラグビーボールのような楕円体へと歪められています。常に炉のように熱い主星と対峙し続ける昼側は、温度が2,500ケルビンを超えます。これは鉄やマグネシウムのような金属を気化させるだけでなく、通常は強固な分子結合さえも引き裂いてしまうほどの高温です。

WASP-121bは潮汐ロックされているため、一方の半球は常に昼間で焼けつき、もう一方の半球は永遠の夜に沈んでいます。ハッブル宇宙望遠鏡による過去の観測から、マグネシウムや鉄が流出している兆候は見られており、理論研究では鉄が凝縮して冷涼な夜側に雨として降り注いでいる可能性も指摘されていました。しかし、こうした大まかな特徴を除けば、惑星の大気力学の詳細は依然として不明のままであり、太陽系のどの惑星でも再現できない条件下の気象学は「ブラックボックス」となっていました。

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡はいかにして惑星の天気を読み解くか

この研究の中心にある手法は、透過分光法です。これは20年間にわたり系外惑星科学の主役であり続けてきた手法ですが、JWSTを用いることで並外れた精度を獲得しました。惑星が主星の前を通過する際、恒星光のわずかな一部が惑星の上層大気を通過します。その際、大気中の分子が特定の波長の光を吸収し、私たちが受け取るスペクトルに化学的な指紋を刻み込みます。天文学者は、惑星の通過時と非通過時のスペクトルを比較することで、どのようなガスが存在するかを解明できるのです。

このアプローチがもたらす影響は、一つの異質な世界にとどまりません。もしこの手法が堅牢であれば、将来的にはより小さく低温な惑星、あるいは岩石惑星に対しても、雲の分布や風速、気温差をマッピングできるようになるかもしれません。今のところWASP-121bは実験台のような存在ですが、そこから得られた結果は驚くべきものであり、かつ驚くほど整合性のとれたものでした。

気化した金属の世界における夜明けと夕暮れ

重要な発見は、夕方のターミネーター（昼夜境界線）の方が朝のそれよりも高温であるという点です。例えば、水蒸気のスペクトル信号は夕方の側で弱くなっていました。これは、大気が非常に高温であるため、光を吸収する前に水分子が水素と酸素に分解（解離）していることを示しています。対照的に、朝のターミネーターでは水蒸気の信号が強く現れており、水が少なくとも一時的には存在し続けられる、より低温な環境であることを示唆しています。

一酸化炭素も同様の物語を語っています。その吸収特性も変動しており、強力な循環を駆動する温度勾配と矛盾しません。時速約1万1,000マイルという猛烈な勢いで惑星を一周するスーパーローテーション（超回転）風が、灼熱の昼側から暗黒の半球へと熱を運んでいるのです。研究では、朝側にはケイ酸塩鉱物でできた雲――実質的には小さな粒子へと凝縮した岩石の蒸気――が存在し、それが深層への視界を部分的に遮っている可能性があると推測しています。「こうした雲が実際に存在するかどうかを特定するには、より洗練されたモデルが必要になる」と著者らは注意を促していますが、その非対称性は明白です。

宝石の雨という仮説：蒸気から結晶へ

ルビーやサファイアの雨が降るというWASP-121bの一般的なイメージは、直接的な視覚的証拠ではなく、もっともらしい化学的根拠に基づいています。ルビーとサファイアはどちらも鉱物のコランダム（酸化アルミニウム）の一種であり、クロムや鉄の微量不純物が赤色のルビーを、チタンや鉄が青色のサファイアを形作ります。惑星の大気中でこうした結晶が形成されるには、アルミニウムの供給源、豊富な酸素、そして蒸気が固体粒子に凝縮するための急激な温度低下という3つの要素が必要です。

WASP-121bはその3つの条件をすべて満たしているようです。昼側はアルミニウムを含む化合物を気化させるほど高温であり、ハッブルによる過去の観測スペクトルは、重元素が存在し、場合によっては惑星から完全に流出していることを示しています。ガスが昼側から夜側へ移動する過程で冷却され、ある地点で酸化アルミニウムが凝縮するはずです。比較的穏やかな領域でゆっくりと冷却が進めば結晶は成長でき、その結晶が対流によって上空へ運ばれるか、重力で落下すれば、キラキラと輝く降水として降り注ぐ可能性があるのです。このアイデアは2020年に他の超高温木星について初めて提唱されましたが、今回のJWSTのデータは、顕著な温度差と熱を運ぶ風の存在を示しており、実際に宝石の雨が起きているとは断定できないにせよ、その説を強化しています。

研究チームはこの調査で酸化アルミニウムを直接検出したわけではなく、温度分布や化学的な混合によって結晶の成長が妨げられている可能性も残されています。しかし、彼らが測定した条件はこの仮説と一致しており、将来的な観測（おそらくJWSTのMIRI装置を用いたもの）によって、コランダムの粒子の決定的なスペクトル的特徴を探ることができるでしょう。現時点では、宝石の雨は確証された観測事実ではなく、強力な推論にとどまっています。

地球外における宇宙天気

科学者が系外惑星における宇宙天気について語るとき、それは通常、地磁気嵐や太陽フレアのことではなく、風、雲、温度勾配、化学サイクルといった、惑星の気象学的性格を決定づけるより広範な大気力学を指しています。WASP-121bにおけるターミネーターの非対称性をマッピングするJWSTの能力は、一種の宇宙天気予報であり、条件が極めて異質な世界を研究するためのツールキットを拡張するものです。

地球において宇宙天気とは太陽風やコロナ質量放出を意味しますが、火星では砂嵐や大気の流出が含まれます。ホット・ジュピターにとって宇宙天気とは、極端な放射と、超音速風や特殊な凝縮現象を引き起こす強力な熱機関との相互作用です。Gapp氏らが実証した手法は、他の惑星にも応用して経度方向の温度プロファイルの測定やジェット気流の解明、さらには季節変化の追跡に役立つ可能性があります――信号がかき消されるほど高温ではない限りにおいてですが。

この研究には実用的な側面もあります。極端な条件下で大気がどのように振る舞うかを理解することは、系外惑星と地球の両方にとって気候モデルを洗練させる一助となります。WASP-121bにおける熱循環を駆動するのと同じ物理学（不均一な加熱への応答、雲や分子解離の役割）が、温度は大幅に異なるものの、私たち自身の成層圏でも作用しているのです。この意味で宇宙は極端な気候の実験室であり、JWSTはその実験台の上に置かれた新しい分光計なのです。

極端な気候を見るための新しいレンズ

チームは、データを完全に解釈するには、3次元循環、雲の微物理学、分子の解離を考慮したより複雑なモデルが必要であることを認めています。また、朝の雲の兆候が確認されれば、それはJWSTによる超高温木星でのケイ酸塩雲の初検出となり、極端な条件下における凝縮の物理学を解き明かす新たな窓が開かれることになります。

わずか1日余りで主星を一周する惑星にとって、その発見のペースは驚くほど遅いものでした。これは何百光年も離れた世界を観測することの難しさを皮肉にも物語っています。しかし、状況は変わりつつあります。通過観測が行われるたびに、JWSTはWASP-121bのヴェールを一枚ずつ剥ぎ取っており、その予報はどんなに異質であっても、暑く、風が強く、液体宝石が降る可能性があるといった、まともな天気予報らしくなり始めています。

今や観測機器の精度は、想像力が追いつく必要があるほどの域に達しています。

ソース

• Nature Astronomy（研究論文: Gapp et al., “Longitudinal atmospheric structure of the ultra-hot Jupiter WASP-121b from JWST”）
• マックス・プランク天文学研究所 プレス資料
• NASA 系外惑星科学インスティテュート (WASP-121b エントリー)