NASAのウェッブが系外惑星の大気中のメタンを特定

系外惑星WASP80ｂが主星の前を横切る時と主星の後ろに隠れる時のスペクトルの差からWASP80ｂの大気の成分を捉える。以下、機械翻訳。
NASAのウェッブが系外惑星の大気中のメタンを特定
NASA のジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、系外惑星 WASP-80 b が主星の前後を通過する様子を観測し、メタンガスと水蒸気を含む大気を示すスペクトルを明らかにしました。 水蒸気はこれまでに十数の惑星で検出されているが、メタン（太陽系内の木星、土星、天王星、海王星の大気中に豊富に存在する分子）は、最近まで、通過する系外惑星の大気中には捉えられないままだった。 宇宙ベースの分光法で研究されました。 カリフォルニアのシリコンバレーにある NASA エイムズ研究センターで働くベイエリア環境研究所 (BAERI) のテイラー・ベルとアリゾナ州立大学のルイス・ウェルバンクスが、系外惑星大気中のメタン発見の重要性について詳しく語り、ウェッブの観測がどのようにして地球外惑星の発見を促進したかについて語ります。 長年探し求められていたこの分子の同定。 これらの研究結果は最近、科学雑誌『Nature』に掲載されました。


星がちりばめられた黒い背景に、WASP-80 b として知られる青と白の系外惑星を描いたアーティストのレンダリング。 曇った白、灰色、青の交互の水平層が惑星の表面を覆っています。 惑星の右側には、化学物質のメタンのレンダリングが示されており、中心の炭素原子に結合した 4 つの水素原子が示されており、これは系外惑星の大気中のメタンを表しています。
アーティストによる暖かい系外惑星 WASP-80 b のレンダリング。この惑星の色は、高高度に雲がなく、NASA のジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡によって確認された大気中にメタンが存在するため、人間の目には青っぽく見える可能性があります。 私たち自身の太陽系。 画像クレジット: NASA。
「温度が約825ケルビン（華氏約1,025度）のWASP-80 bは、科学者が「暖かい木星」と呼ぶもので、サイズと質量は太陽系の惑星木星と似ていますが、温度が高い惑星です。 これは、1,450 K (2,150 F) の HD 209458 b (最初に発見された通過系外惑星) のような高温木星と、我々の惑星のような約 125 K (235 F) の低温木星の中間にあります。 WASP-80 b は赤色矮星の周りを 3 日に 1 回回り、私たちから 163 光年離れたわし座に位置しています。 惑星はその恒星に非常に近く、両方とも私たちから遠く離れているため、ウェッブのような最先端の望遠鏡でさえ惑星を直接見ることはできません。 代わりに、研究者はトランジット法（ほとんどの既知の系外惑星の発見に使用されている）と日食法を使用して、恒星と惑星からの光を組み合わせて研究しています。

トランジット法を使用して、惑星が私たちの視点からその星の前に移動し、私たちが見る星の光が少し暗くなったときのシステムを観察しました。 それは、誰かがランプの前を通ると光が暗くなるようなものです。 この間、惑星の昼と夜の境界の周りにある惑星の大気の細い輪が星によって照らされ、惑星の大気中の分子が光を吸収する特定の色の光では、大気はより厚く見え、より多くの星の光を遮断します。 大気が透明に見える他の波長と比較して、より深い減光を引き起こします。 この方法は、私たちのような科学者が、どの色の光が遮断されているかを確認することで、地球の大気が何でできているかを理解するのに役立ちます。

一方、日食法を使用して、惑星が私たちの視点からその恒星の後ろを通過するときに、私たちが受け取る総光量にさらに小さな低下を引き起こすこの系を観察しました。 すべての物体は、熱放射と呼ばれる何らかの光を放出します。放出される光の強度と色は、物体の温度に応じて異なります。 日食の直前と直後、惑星の暑い昼側が私たちに向けられ、日食中の光の落ち込みを測定することで、惑星が発する赤外線を測定することができました。 日食のスペクトルの場合、惑星の大気中の分子による吸収は、通常、特定の波長での惑星の放射光の減少として現れます。 また、惑星は主星よりもはるかに小さくて寒いため、日食の深さは通過の深さよりもはるかに浅くなります。

「温暖ガス巨大系外惑星 WASP-80 b、大気組成」というタイトルの画像。 NIRCam グリズム分光法。」 以下に 2 つのグラフを示します。 通常、最初のグラフは下降傾向にあり、2 番目のグラフは上昇傾向にあります。 データは、トランジット法 (上のグラフ) と日食法 (下のグラフ) という 2 つの異なる方法から取得されました。 両方の X 軸には「光の波長 (ミクロン)」というラベルが付いています。 2.4 から 4.0 ミクロンまで 0.2 刻みで実行されます。 通過グラフの Y 軸には「遮られる星の光の量」というラベルが付けられており、2.88% から 3.00% まで変化します。 日食グラフの Y 軸は「放出される惑星の光の量」で、0.00% から 0.12% まで変化します。 どちらのグラフも白い点でプロットされており、その中にエラーバーが表示されています。 水蒸気 (緑色で強調表示) とメタン (高温) の明確な痕跡があります。紫色で強調表示されます）。
NASA のジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡の NIRCam スリットレス分光モードで測定された WASP-80 b の通過スペクトル (上) と日食スペクトル (下)。 どちらのスペクトルにも、水とメタンからの吸収の明確な証拠があり、その寄与が色付きの等高線で示されています。 トランジット中、惑星は恒星の前を通過します。トランジットスペクトルでは、分子の存在により、惑星の大気は特定の色でより多くの光を遮断し、その波長でより深い減光を引き起こします。 日食中、惑星は恒星の背後を通過します。この日食スペクトルでは、分子が特定の色の惑星の放射光の一部を吸収するため、日食中は通過時と比べて明るさの低下が小さくなります。 画像クレジット: BAERI/NASA/Taylor Bell。
私たちが行った最初の観察は、スペクトルと呼ばれるものに変換する必要がありました。 これは基本的に、さまざまな色 (または波長) の光で、惑星の大気によってどれだけの光が遮断または放出されるかを示す測定値です。 生の観測値を有用なスペクトルに変換するためのさまざまなツールが多数存在するため、私たちは 2 つの異なるアプローチを使用して、さまざまな仮定に対して結果が確実であることを確認しました。 次に、このスペクトルを 2 種類のモデルを使用して解釈し、このような極端な条件下での惑星の大気がどのようになるかをシミュレートしました。 最初のタイプのモデルは完全に柔軟で、メタンと水の存在量と温度の何百万もの組み合わせを試して、データに最も適合する組み合わせを見つけます。 2 番目のタイプは「自己無撞着モデル」と呼ばれ、これも何百万もの組み合わせを調査しますが、物理学と化学の既存の知識を使用して、予想されるメタンと水のレベルを決定します。 どちらのモデルタイプも、メタンを確実に検出するという同じ結論に達しました。

調査結果を検証するために、堅牢な統計手法を使用して、検出がランダム ノイズである確率を評価しました。 私たちの分野では、「ゴールド スタンダード」は「5 シグマ検出」と呼ばれるものであると考えています。これは、ランダム ノイズによって検出される確率が 170 万分の 1 であることを意味します。 一方、通過スペクトルと日食スペクトルの両方で 6.1 シグマのメタンを検出しました。これにより、各観測での誤検出の確率は 9 億 4,200 万分の 1 となり、5 シグマの「ゴールドスタンダード」を上回り、両方に対する私たちの信頼が強化されました。 検出。

このような確実な検出により、非常にとらえどころのない分子を発見しただけでなく、この化学組成が惑星の誕生、成長、進化について何を物語っているのかを調査し始めることができるようになりました。 たとえば、地球上のメタンと水の量を測定することで、炭素原子と酸素原子の比率を推測できます。 この比率は、惑星が系内のどこでいつ形成されるかに応じて変化すると予想されます。 したがって、この炭素対酸素の比を調べることで、惑星が恒星の近くで形成されたのか、それとも徐々に内側に移動する前にもっと遠くから形成されたのかを知る手がかりが得られる可能性があります。

この発見で私たちが興奮しているもう 1 つの点は、最終的に太陽系外の惑星と太陽系内の惑星を比較する機会を得られることです。 NASA には、大気中のメタンやその他の分子の量を測定するために、太陽系の巨大ガス惑星に宇宙船を送った歴史があります。 さて、系外惑星内の同じガスを測定することで、「同一条件での比較」を開始し、太陽系からの期待が太陽系の外で見られるものと一致するかどうかを確認できるようになります。

最後に、ウェッブによる将来の発見に目を向けると、この結果は、私たちがさらにエキサイティングな発見の瀬戸際にいることを示しています。 ウェッブ氏による WASP-80 b の追加の MIRI および NIRCam 観測により、さまざまな光の波長で大気の特性を調べることが可能になります。 私たちの発見は、一酸化炭素や二酸化炭素などの他の炭素を多く含む分子を観察できるようになり、この惑星の大気の状態をより包括的に把握できるようになると考えています。 さらに、系外惑星でメタンやその他のガスが発見されるにつれ、地球上とは異なる条件下で化学や物理学がどのように機能するかについての知識が広がり続け、おそらく近いうちに、ここにあるものを思い出させる他の惑星でも発見されるでしょう。 自宅で。 一つ明らかなことは、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡による発見の旅は、潜在的な驚きに満ちているということです。」

著者について:
テイラー・ベルは、ベイエリア環境研究所 (BAERI) の博士研究員で、カリフォルニアのシリコンバレーにある NASA のエイムズ研究センターで働いています。
ルイス・ウェルバンクスは、アリゾナ州テンピにあるアリゾナ州立大学の NASA ハッブル研究員です。