HR 8799 c

HR 8799 c

HR 8799 cは、地球からおよそ128.5光年離れたペガスス座の領域にある恒星HR 8799の周囲を公転する太陽系外惑星です。この惑星は、主星から比較的離れた軌道を回っており、その存在は惑星そのものが発する光を直接捉えるという画期的な手法によって明らかにされました。これは、系外惑星の直接撮像による発見例としては初期の重要な成果の一つです。

発見と確認

HR 8799 cは、主星HR 8799の周囲を公転する4つの既知の惑星のうちの一つです。2008年11月13日、同じ恒星を回るHR 8799 bおよびHR 8799 dと同時にその存在が初めて公にされました。これらの惑星は、2004年から2008年にかけて、W・M・ケック天文台やジェミニ天文台、ハッブル宇宙望遠鏡など複数の観測施設によって撮影された赤外線画像の中に発見されました。画像解析の結果、これらの天体が見かけの位置を移動しており、HR 8799の周囲を周回する軌道に乗っていることが確認されました。この発見は、惑星の姿を直接撮影して確認された極めて初期の事例として特筆されます。ただし、HR 8799 cの公表以前にも赤外線画像で直接捉えられた天体（例：2M1207b）は存在しますが、それらは一般的に惑星とは異なる分類とされることが多いです。また、HR 8799 cらが公表された同日には、可視光での直接撮像によって発見されたとされるフォーマルハウトbも発表されましたが、その性質については議論があります。HR 8799の惑星は赤外線でのみ捉えられており、可視光では検出されていません。なお、この時点では後に発見されるHR 8799 eの存在は確認されていませんでした。

HR 8799系に惑星が発見された後、過去の観測データが再解析されました。その結果、1998年10月30日にハッブル宇宙望遠鏡が撮影した画像の中に、既にHR 8799 bやHR 8799 dと共にHR 8799 cが写り込んでいたことが2009年10月6日に判明しています。これは、発見公表よりも遥か以前から存在が記録されていたことを示しています。

軌道の特性

HR 8799 cは、HR 8799系の惑星の中で、主星から2番目に遠い位置を公転しています。その軌道長半径は、研究によって異なる値が提示されており、およそ57億キロメートル（約38天文単位）または64.2億キロメートル（約42.9天文単位）と推定されています。これは、太陽系における冥王星の公転軌道に匹敵する距離です。この遠い軌道のため、HR 8799 cの公転周期は非常に長く、約231.7年または224.9年に及ぶと考えられています。これは、2013年時点で発見されていた系外惑星の中では、へびつかい座11番星b（約2000年）、フォーマルハウトb（約872年）、そして同じHR 8799系のHR 8799 bに次いで、4番目に長い公転周期を持つ惑星の一つでした。軌道の離心率はほぼゼロに近いと推定されています。これらの軌道要素の値には、主星HR 8799の質量の測定精度が影響を与えています。

興味深いことに、HR 8799 b、HR 8799 c、HR 8799 dの3つの巨大惑星は、互いの公転周期が約4:2:1の整数比に近い関係にあると考えられており、これは軌道共鳴という現象を示唆しています。

物理的な特徴と大気組成

HR 8799 cは、主星HR 8799から大きく離れていますが、主星が太陽の約4.92倍も明るいこと、そして惑星系全体が比較的若い（推定2000万年〜5000万年）ため、表面温度は摂氏約820度と非常に高温です。この高温状態により、HR 8799 cは強い赤外線を放射しており、これが直接撮像による発見を可能にしました。その光度は太陽の約1万分の1程度、約7.7×10²¹ワットに達すると計算されていますが、主星があまりにも明るいため、地球から見た見かけの明るさはHR 8799の10万分の1以下と非常に暗いです。その色合いは、暗い赤色に見えると推測されています。

大きさについては、HR 8799 cは木星と比較して直径が1.2倍から1.3倍大きいと見積もられています。しかし、質量は木星の7倍から最大13倍と非常に大きく、特に質量の上限値は褐色矮星（恒星になりきれなかった天体）の下限質量に迫るほどです。この大きな質量と比較的大きな直径から、平均密度は約7.2 g/cm³と推定されており、これは一般的な巨大ガス惑星としてはかなり高い値です。

HR 8799 cは、HR 8799系の惑星の中で最も詳細な観測が行われている天体です。これは、主星から視覚的に約1.0秒角離れており、なおかつ十分な明るさを持つため、主星の光に埋もれることなく観測しやすいからです。2010年には、系外惑星から放出される光のスペクトル線を直接的に取得することに成功しました。これは、恒星による掩蔽などの間接的な方法ではなく、惑星そのものから得られた光のスペクトル分析としては、惑星と確定している天体では初めての快挙でした。さらに2013年には、この詳細な観測データから大気の組成が明らかになりました。HR 8799 cの大気には水蒸気と一酸化炭素が含まれていることが確認されており、大気中の酸素と炭素の存在比率を分析することで、HR 8799惑星系の形成過程に関する重要な情報が得られました。

惑星の形成モデルには、固体物質が集まって核を作り、その後にガスを重力で引きつける「コア成長モデル」と、原始惑星系円盤内のガスが自己重力で直接収縮して惑星が誕生する「重力不安定モデル」の主に二つがあります。原始惑星系円盤が十分に冷えて氷が形成される環境では、水分子の生成によって酸素が消費されるため、大気中の炭素に対する酸素の比率が低くなる傾向があります。HR 8799 cの大気組成の観測結果は、比較的ゆっくりと時間をかけて形成されるコア成長モデルを支持する証拠と考えられています。

また、HR 8799系を取り囲む広大な塵の円盤には、一酸化炭素やメタン、アンモニアやアセチレンといった分子が含まれていることが観測されており、これが惑星の大気組成と関連している可能性があります。塵の円盤の組成は、特にHR 8799 cのスペクトル観測と合わせて分析が進められています。ただし、円盤の組成は主星からの距離によって変化することが分かっています。

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