ホット・ジュピター

ホット・ジュピターとは

ホット・ジュピターは、木星と同程度の質量を持つ巨大ガス惑星でありながら、恒星から非常に近い距離を公転している太陽系外惑星の一種です。その特徴的な高温のため、「灼熱巨大惑星」とも呼ばれます。恒星に極めて近い軌道を持つため、表面温度は非常に高く、強烈な恒星光を浴びています。1995年頃から続々と発見され、その特異な性質が惑星形成理論に大きな転換をもたらしました。

発見

ホット・ジュピターは、ドップラー分光法によって最も容易に発見されるタイプの系外惑星です。これは、質量が大きい惑星が恒星に及ぼす重力的な影響を観測することで、惑星の存在を間接的に検出する方法です。最初に発見されたホット・ジュピターの1つは、1995年に発見されたペガスス座51番星bです。この惑星は、太陽に似た恒星をわずか4日間で公転しています。初期の系外惑星探査では、観測バイアスのためにホット・ジュピターが多数発見されました。

特徴

ホット・ジュピターには、以下のような共通した特徴が見られます。

一般的な特徴

質量と公転周期: 質量は木星の約0.36倍から11.8倍、公転周期は1.3日から111日と非常に短いです。
軌道離心率: ほとんどのホット・ジュピターは、軌道が真円に近い、軌道離心率が小さいという特徴があります。これは、主星からの潮汐力によって軌道が円形化されるためと考えられています。
密度: 異常に低い密度を持つものが多く、中には水よりも密度が低い惑星も存在します。これは、強い恒星輻射や大気の不透明度、内部の加熱源などが影響していると考えられます。
潮汐固定: 公転周期が短いため、潮汐固定により常に同じ面を恒星に向けていると考えられます。
大気: 極端な温度差や高速の風、スーパーローテーションなど、特異な大気を持つ可能性があります。

存在割合

ホット・ジュピターは、初期の観測では多数発見されましたが、現在では木星のような低温の巨大ガス惑星に比べると珍しい天体と考えられています。観測によると、太陽に似た恒星がホット・ジュピターを持つ割合は非常に低いことが分かっています。また、ホット・ジュピターの存在は、主星の性質や金属量に大きく左右されることが知られています。

軌道

ホット・ジュピターは、恒星から非常に近い軌道を公転しています。例えば、ペガスス座51番星bは恒星からわずか0.05 auしか離れていません。そのため、惑星表面は数百℃にもなる高温に熱せられています。このような惑星の配置は、太陽系とは大きく異なり、従来の惑星形成理論に大きな衝撃を与えました。

質量と大きさ

ホット・ジュピターの質量は、木星の0.1倍から2倍程度と定義されることが多いです。木星質量よりも小さいものはホット・ネプチューンと呼ばれます。ホット・ジュピターの半径は、質量に比べて大きい傾向があります。これは、高温によって惑星の大気が膨張しているためと考えられます。

大気

ホット・ジュピターの大気は、潮汐固定や極端な温度差、強い恒星輻射の影響を受けて、特異な構造をしていると考えられます。高速の風やスーパーローテーション、昼夜間の大きな温度差などが発生すると予測されています。また、大気中の成分によっては、深い青色に見えるものも発見されています。恒星からの強力な宇宙線や大気の流出なども観測されています。

ホット・ジュピターの形成と進化

ホット・ジュピターの発見は、従来の惑星形成理論の見直しを迫りました。その起源については、大きく分けて二つの考え方があります。

惑星移動

一つは、ホット・ジュピターは、形成された後に内側に移動して現在の軌道に運ばれたというものです。この惑星移動のメカニズムには、円盤との相互作用によって惑星が落下するという説や、他の惑星との重力的な相互作用によって軌道が変化するという説があります。

円盤との相互作用

原始惑星系円盤との相互作用によって、惑星が恒星に近づいていくという説です。この説では、惑星が円盤内にギャップを形成し、その結果として内側に移動すると考えられています。

スリングショットモデル

他の巨大惑星との重力的な相互作用によって、惑星が細長い楕円軌道で恒星に近づき、潮汐力によって円軌道化していくという説です。

その場形成

もう一つは、ホット・ジュピターが現在の軌道でその場形成したという説です。この説では、スーパーアースがその場で形成され、ガスを降着させて巨大ガス惑星になったと考えられます。

大気散逸

ホット・ジュピターは、恒星からの強い輻射を受けて大気散逸が進行していると考えられています。この現象は、惑星の大気が恒星のX線や紫外線によって加熱され、流出する現象です。大気散逸によって、ホット・ジュピターのコアが露出したクトニア惑星になる可能性も指摘されています。

ホット・ジュピターがある系での地球型惑星

ホット・ジュピターが存在する系でも、地球型惑星が存在する可能性があります。シミュレーションによると、ホット・ジュピターが内側領域を移動しても、必ずしも破壊的な現象が起きるとは限らず、ハビタブルゾーンに地球型惑星が形成されることも示唆されています。

逆行軌道

一部のホット・ジュピターは、主星の自転とは逆方向に公転する逆行軌道を持っています。この逆行軌道は、惑星の軌道が擾乱を受けたか、惑星系形成段階で恒星自体が反転したことが原因と考えられています。

超短周期惑星

公転周期が1日よりも短い惑星は、超短周期惑星と呼ばれます。超短周期惑星は、1.25太陽質量未満の恒星の周りで発見されています。ホット・ジュピターのコアが残されたものや、その他の形成メカニズムを持つものが存在します。

ホット・ジュピターの半径異常

ホット・ジュピターの半径は、理論的に予測されるよりも大きいことが知られています。この現象は半径異常と呼ばれ、大気の不透明度、内部の加熱、潮汐力などが原因として考えられています。

ホット・ジュピターの衛星

理論的には、ホット・ジュピターが衛星を持つ可能性は低いと考えられています。これは、恒星からの潮汐力が強く、衛星の軌道を不安定化させるためです。

赤色巨星周りのホット・ジュピター

赤色巨星の周りを公転するホット・ジュピターも存在します。これらの惑星は、主系列星の周りを公転するホット・ジュピターとは、惑星への物質降着や熱の分布などが異なります。

恒星と惑星の相互作用

ホット・ジュピターは、恒星の磁場との相互作用や潮汐力を介して、恒星の活動を増大させる可能性があるとされています。このような現象は、恒星と惑星の相互作用（SPIs）と呼ばれます。ただし、この現象については議論の余地があります。

ホット・ジュピターの実例

ペガスス座51番星b: 最初に発見された系外惑星の1つ。
オシリス (HD 209458 b): 初めて恒星面通過が観測された系外惑星。大気の流出も観測されている。
HD 189733 b: よく観測されているホット・ジュピターの一つ。

まとめ

ホット・ジュピターは、太陽系には存在しない、特異な系外惑星です。その発見は、惑星形成理論に大きな転換をもたらしました。ホット・ジュピターの研究は、惑星系の多様性を理解する上で重要な役割を担っています。今後もさらなる観測や理論研究によって、ホット・ジュピターの謎が解き明かされていくことが期待されます。

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