LHS 1140 b

LHS 1140 b は、地球からおよそ48光年離れたくじら座の方向に位置する赤色矮星 LHS 1140 (別名 GJ 3053) の周囲を巡る太陽系外惑星です。主星は14等級の比較的暗い恒星ですが、LHS 1140 b はそのハビタブルゾーンと呼ばれる生命が存在しうる領域内を公転しており、表面に液体の水が存在する可能性が示唆されていることから、科学者の間で特に注目されています。

発見の経緯

この惑星は、2017年にアメリカ合衆国アリゾナ州にあるフレッド・ローレンス・ホイップル天文台の観測システムを用いたMEarthプロジェクトの観測によって初めて発見されました。このプロジェクトは、赤色矮星の周囲を公転する系外惑星をトランジット法（惑星が主星の前を横切る際に主星の明るさがわずかに暗くなる現象を利用する方法）で探すことを目的としています。その後の観測では、チリにある高精度視線速度系外惑星探査装置 (HARPS) によるドップラー分光法を用いたフォローアップ観測によって、LHS 1140 b の存在が確実に立証されました。また、トランジット系外惑星探索衛星（TESS）による観測も行われており、TESSによって惑星候補として特定される天体のリストである TESS object of interest (TOI) において、LHS 1140 b は TOI-256.01 または TOI-256 b という番号が付与されています。

軌道の特性

LHS 1140 b の軌道は、主星 LHS 1140 から平均しておよそ1400万キロメートルの距離に位置しています。これは、太陽から地球までの距離の約1割に相当し、太陽系で最も太陽に近い惑星である水星の軌道長半径（約5800万キロメートル）の約4分の1という近さです。しかし、主星の LHS 1140 は、質量も半径も太陽の約2割程度と非常に小さく暗い赤色矮星であるため、LHS 1140 b が主星から受け取る放射エネルギーは、地球が太陽から受け取る量の半分以下にとどまっています。この惑星の軌道は非常に円に近く、その離心率は0.043未満と推定されています。軌道が大きく歪んでいないことは、形成されてから顕著な軌道移動を経験することなく、誕生時の軌道をほぼ保っている可能性を示唆しています。また、主星 LHS 1140 から約4024万キロメートル（0.269天文単位）よりも内側にある天体は、主星からの強い潮汐力によって自転と公転が同期する潮汐固定を起こすと予測されています。LHS 1140 b の軌道はこの範囲よりも内側にあるため、常に同じ面を主星に向けている状態であると推定されています。

物理的性質に関する知見の変遷

LHS 1140 b の物理的な特徴については、観測技術の進歩とともにその理解が進んでいます。2017年の発見が報告された当初、この惑星の半径は地球の約1.43倍、質量はやや不確実性を伴うものの地球の約6.65倍と計算されていました。これらの値から導かれる密度は 12.2 g/cm³ という、太陽系で最も高密度の地球（約5.5 g/cm³）の実に2倍以上に相当する、それまでに知られていた系外惑星の中でも exceptionally 高い値でした。このことから、LHS 1140 b は鉄やニッケルといった金属質の核が惑星全質量の最大4分の3を占める、非常に高密度なスーパーアースである可能性が指摘されていました。

しかし、その後のより精密な観測によって、これらの数値は見直されました。2020年に発表されたヨーロッパ南天天文台 (ESO) の超大型望遠鏡VLTに搭載された観測装置 ESPRESSO および TESS のデータを用いた研究では、半径を地球の約1.635倍、質量を約6.38倍へと修正し、密度を 8.04 g/cm³ に下方修正しました。この場合でも、密度は地球の1.5倍弱であり、岩石質のスーパーアースであるという性質は変わりませんが、核が全質量に占める割合は 49 ± 7% まで低下するとされました。また、この研究では、LHS 1140 b が平均水深約779 ± 650キロメートルの広大な海洋に覆われた海洋惑星であり、水が全質量の約4パーセントを占めている可能性も示唆されました。

さらに、2024年1月に天文学専門誌のアストロノミカルジャーナルレターズに掲載された最新の研究結果では、LHS 1140 b の質量が地球の約5.6倍とさらに下方修正されました。これにより、密度は地球よりわずかに大きい程度の 5.9 g/cm³ と算出されました。この大きさでこの密度であることを考慮すると、LHS 1140 b が地球と同様の組成を持つ地球型惑星であるとは考えにくく、全質量の9パーセントから19パーセントが水であるような海洋惑星、または高密度のミニ・ネプチューンである可能性が高いと結論づけられています。

大気と居住環境

LHS 1140 b の軌道は、主星 LHS 1140 からおよそ0.062天文単位から0.127天文単位の範囲にある、比較的厳しい条件で定義されるハビタブルゾーンの外縁付近に位置しています。プエルトリコ大学アレシボ校の Planetary Habitability Laboratory (PHL) は、LHS 1140 b を楽観的に居住可能な太陽系外惑星の一つとしてリストアップしており、2024年7月時点での地球類似性指標 (ESI) は0.66と評価しています。2024年1月の研究では、もしこの惑星が全く光を反射しない（アルベド0）と仮定した場合の表面の平衡温度は226 K（摂氏マイナス47度）と計算されています。実際の惑星表面は光を反射するため、アルベドを地球と同程度の0.3と仮定すると、平衡温度はさらに低い206 K（摂氏マイナス67度）となります。しかし、これらの平衡温度の計算は大気による温室効果を考慮していません。

幸いなことに、主星の LHS 1140 は恒星活動が比較的穏やかであるとされており、LHS 1140 b が長期間にわたって大気を保持できる可能性が高いと考えられています。仮に地球と同程度の温室効果（温度を約33 K上昇させる効果）が惑星の大気中で発生した場合、アルベドを0と仮定しても表面温度は約260 K（摂氏マイナス13度）程度になると計算されており、液体の水が存在しうる環境に近づきます。もし大気がないと仮定するならば、惑星表面は薄い氷の層で覆われていると考えられます。

LHS 1140 b は、地球から比較的近い距離（約40光年注：発見報告では48光年）にあり、主星の手前を通過するトランジットを起こすことから、その大気組成を詳細に調査することが可能な数少ない系外惑星の一つです。この惑星系は、7個の地球サイズの惑星を持つことで知られるTRAPPIST-1系と条件が似ているため、比較研究の対象としても重要です。2020年には、ハッブル宇宙望遠鏡による観測結果から、大気中に水蒸気が含まれている可能性が指摘されましたが、データの精度が十分ではなかったため、確実な結論には至りませんでした。しかし、2024年3月にプレプリントサーバーarXivに投稿された、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の観測データを解析した研究では、LHS 1140 b がミニ・ネプチューンのように水素を主成分とする大気を持つ可能性は低いことが示され、水蒸気や窒素、二酸化炭素といった分子で構成される大気を持つ可能性が支持されました。そして、同年7月には、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡、ハッブル宇宙望遠鏡、スピッツァー宇宙望遠鏡などの複数の観測データを統合した研究グループ（モントリオール大学の研究者らを含む）が、LHS 1140 b の大気中に豊富な窒素が存在する暫定的な兆候を検出したと発表しました。この最新の研究結果は、LHS 1140 b が無視できない量の大気を保持しており、表面に液体の水を維持するための環境が整っている可能性を強く示唆しています。

もし、LHS 1140 b が地球と似た大気を持ち、かつ潮汐固定されていると仮定した場合、現在の理論モデルでは、常に主星に面している側の表面の中でも特に温度が高い領域では、表面温度が摂氏20度程度に達する可能性があると考えられています。この場合、この高温領域に直径約4,000キロメートル程度の海洋が形成され、その他の領域は氷で覆われるという、いわゆる「アイボール・アース」のような惑星である可能性も示唆されています。今後のさらなる観測によって、この興味深い系外惑星の謎がさらに解き明かされていくことが期待されます。

注：入力情報には距離が「約48光年」と「約40光年」の二つの記述がありますが、発見報告などでは「48光年」が多く使用されています。ここでは主に「48光年」を基に記述しつつ、大気組成探査の箇所で「約40光年」にも言及しています。 (この注釈はのテキストに含めるべきではないかもしれないが、生成時の自己レビュー用。では削除する) -> 削除)

(出力時には、上記の注釈や内部的な思考メモは含めないこと。マークダウン形式の本文のみを含める)

もう一度検索