TOI-1853 b

TOI-1853 bは、地球から約540光年離れた、うしかい座の方向に位置する系外惑星です。太陽に似たK型主系列星TOI-1853の周囲を公転しています。この惑星の最大の特徴は、そのサイズに比して非常に大きな質量を持つことで、結果として異常なほど高い密度を示す点にあります。

発見と命名

TOI-1853 bの存在可能性は、アメリカ航空宇宙局（NASA）が2018年に打ち上げたトランジット系外惑星探索衛星TESSによる観測データから初めて示されました。TESSは恒星の手前を惑星が通過する際のわずかな減光（トランジット）を捉えることで惑星候補を探します。この観測から得られた惑星候補は、当初TOI-1853.01という名称でTESS object of interest（TOI）のリストに登録されました。その後、ローマ・ラ・サピエンツァ大学の研究者Luca Naponiello氏を中心とする研究チームが、詳細な分析と追加観測を行いました。その結果、TOI-1853.01が実際に存在する惑星であることが確認され、正式にTOI-1853 bと命名されました。この発見に関する研究成果は、2023年 8月30日付で著名な科学雑誌「ネイチャー」に掲載されています。

また、TESSの観測対象となる恒星をまとめたカタログであるTESS Input Catalog（TIC）では、主星TOI-1853がTIC 73540072として登録されていることから、TOI-1853 bはTIC 73540072 bと呼ばれることもあります。

特徴

TOI-1853 bは、TESSによるトランジット観測の分析から、その直径が地球の約3.46倍であることが明らかになっています。これは地球の約3.88倍の直径を持つ海王星よりわずかに小さい程度です。主星TOI-1853からの平均距離はわずか約0.02天文単位（約320万km）と極めて近く、公転周期は約30時間弱という短いものです。この近さのため、惑星の表面平衡温度は摂氏1,200度を超える高温になると推測されています。

興味深いのは、このサイズと軌道の関係です。これまで発見されている系外惑星の傾向として、主星に非常に近い軌道には、地球の2倍以下のサイズの岩石惑星（スーパーアースやミニネプチューン）か、木星のような巨大ガス惑星（ホットジュピター）が多く見られます。しかし、海王星程度の大きさの惑星は主星近傍にはほとんど存在しないことが知られており、この領域は「ネプチュニアン砂漠」と呼ばれています。TOI-1853 bは、このネプチュニアン砂漠のちょうど中間に位置していると考えられており、その存在自体が珍しい事例と言えます。

この惑星の最も際立った特徴は質量と密度です。カナリア諸島のロケ・デ・ロス・ムチャーチョス天文台にある国立ガリレオ望遠鏡に搭載されたHARPS-N分光器を用いたフォローアップ観測により、TOI-1853 bが主星に与える視線速度の変化が測定されました。このデータから算出されたTOI-1853 bの質量は、地球の約73倍に達します。これは、ほぼ同じサイズである海王星（地球質量の約17倍）の約4.3倍もの質量であり、むしろ土星（地球質量の約95倍）に近い値です。サイズに不釣り合いなこの大きな質量は、惑星の密度を極めて高くしています。計算によると、TOI-1853 bの密度は9.74 g/cm3で、これは地球の約2倍に相当します。表面の重力も非常に強く、地球表面の6倍以上にもなると見積もられています。これらの極めて高い密度と重力は、TOI-1853 bが大量の重元素で構成されていることを強く示唆しています。一方で、惑星全体の質量のごく一部（最大1%程度）を占める水素やヘリウムからなる外層（エンベロープ）で覆われている可能性や、岩石と水がほぼ半分ずつの割合で含まれている可能性も議論されています。

起源に関する仮説

TOI-1853 bのような特異な性質を持ち、ネプチュニアン砂漠に存在する惑星は、これまでの標準的な惑星形成理論ではその誕生過程をうまく説明できません。Luca Naponiello氏率いる研究チームは、2023年の研究論文の中で、TOI-1853 bの形成に関する二つの主要なシナリオを提案しています。

第一のシナリオは、破壊的な巨大衝突説です。この仮説では、かつて二つの大きな原始惑星、おそらく水を豊富に含んだスーパーアース同士が、秒速75キロメートルを超えるような猛烈な速度で衝突したと考えられています。この激しい衝突によって、惑星の外層にあった大気や水が剥ぎ取られ、主に高密度な岩石や金属からなる中心核だけが残った結果、現在のTOI-1853 bが形成されたと説明します。この説が正しければ、衝突したもう一つの惑星の痕跡がTOI-1853系内に現在も存在している可能性も示唆されます。

第二のシナリオは、軌道進化に伴う大気散逸説です。この仮説では、TOI-1853 bは元々、原始惑星系円盤との相互作用によって大きく歪んだ（軌道離心率の大きい）軌道を持つガス惑星として誕生したと考えられています。その後、周期的に主星に大きく接近する際に強い潮汐力を受け、その熱によって惑星の外層の大気（主に水素とヘリウム）が徐々に剥ぎ取られ、散逸していったとされます。主星に近い現在の軌道へと移動する過程で大気散逸がさらに進行し、最終的に高密度の中心核が露出した姿が現在のTOI-1853 bである、というものです。このシナリオの利点は、現在のTOI-1853 bが持つ極めて真円に近い軌道（離心率0.03未満）をうまく説明できる点です。軌道離心率の大きい惑星は、主星との潮汐力の相互作用により、時間の経過とともに軌道が徐々に真円に近づく傾向があるためです。

現時点ではどちらのシナリオがTOI-1853 bの真の起源であるかは定かではありませんが、この特異な惑星の発見は、惑星形成や進化に関する従来の理解に新たな問いを投げかけています。今後のさらなる観測や理論研究によって、その誕生の謎が解明されることが期待されています。

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