TRAPPIST-1b

TRAPPIST-1bは、地球から見ておよそ40光年離れた、みずがめ座の方向に位置する太陽系外惑星です。この惑星は、太陽よりもはるかに小さく温度の低い赤色矮星であるTRAPPIST-1を周回しています。

発見と最初の特徴

TRAPPIST-1bは、2016年にチリのラ・シヤ天文台に設置されたTRAPPIST望遠鏡を用いた観測から発見されました。発見には、惑星が主星の手前を通過する際に生じるわずかな主星の光の減光を捉える「トランジット法」が用いられています。この観測では、TRAPPIST-1bの他に、その外側を回るTRAPPIST-1cとTRAPPIST-1dも同時に見つかりました。これらの発見は、同年5月に著名な科学雑誌『ネイチャー』で報告され、大きな注目を集めました。

TRAPPIST-1bは、主星TRAPPIST-1から非常に近い距離を公転しています。その軌道は、地球と月の間の距離のおよそ4倍にあたる約173万キロメートルしか離れていません。そのため、わずか1日半という非常に短い周期で主星の周りを一周します。これは、TRAPPIST-1系でこれまでに見つかっている7つの惑星の中で、最も内側を公転している惑星であることを意味します。

主星であるTRAPPIST-1は、木星ほどのサイズしかない非常に小型な恒星で、「超低温矮星」に分類されます。このような主星の性質とTRAPPIST-1bの軌道距離から、大気の影響を考慮しない「平衡温度」は当初、約119℃と推定されていました。しかし、その後のスピッツァー宇宙望遠鏡などによる観測に基づいた研究では、厚い大気が存在する場合に起こりうる「暴走温室効果」によって、表面温度が数百℃から千数百℃にも達する可能性が示唆されました。さらに、2023年に行われたジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）による最新の観測結果では、表面温度は約230℃であると算出され、これまでの推定を更新しました。

物理的な性質の変遷

TRAPPIST-1bの物理的なパラメーターは、発見後も繰り返し行われた観測によって精度が向上されてきました。2021年に発表された研究によれば、TRAPPIST-1bは地球の約1.116倍の半径と、約1.374倍の質量を持つ、岩石でできた「地球型惑星」であると考えられています。質量については、当初約1.38倍や約0.85倍など、いくつかの異なる推定値が存在しました。

惑星の「密度」に関しても、観測結果の精度向上に伴い、その推定値は変化してきました。2018年の研究では、密度が火星よりやや大きい約3.98 g/cm³と計算されたことから、惑星の質量の最大5%が水などの揮発性物質で構成されている可能性が議論されました。また、この比較的低い密度を説明するために、主星から受け取るエネルギー量が地球よりかなり多いことから、金星のように非常に分厚い大気を持つ可能性も示唆されました。しかし、2021年の研究で密度は再び修正され、地球よりわずかに小さい約5.425 g/cm³という値が示されました。

大気の有無に関する探求

TRAPPIST-1bの大気についての探求も活発に行われてきました。2016年5月には、TRAPPIST-1bとTRAPPIST-1cが同時に主星の前を通過する様子がハッブル宇宙望遠鏡によって観測され、その光を分析することで大気成分を探る試みが行われました。この観測からは、具体的な大気成分を特定することはできませんでしたが、少なくとも巨大ガス惑星で見られるような、水素を主成分とする大きく膨張した大気は持っていないことが明らかになりました。

2018年には、スピッツァー宇宙望遠鏡の観測結果に基づき、もしTRAPPIST-1bが101～104気圧にもなるような厚い水蒸気の大気を持っていたとすれば、当時算出されていた比較的低い密度（地球よりやや小さい）を説明できる可能性があると推測されました。この研究では、TRAPPIST-1系の中でTRAPPIST-1bだけが、揮発性物質による暴走温室効果が起こりうる可能性が完全に排除できない惑星であると指摘されていました。

大気に関する最新の知見は、2023年2月に公表されたジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の中赤外線観測装置（MIRI）による観測からもたらされました。この観測は、「二次食測光」と呼ばれる手法で行われました。これは、惑星が主星の後ろに隠れる直前と出現した直後の主星の明るさの変化を捉えることで、惑星自身が放つ光（この場合は赤外線）を間接的に検出する技術です。この手法により、小型の岩石質系外惑星から放出される光を赤外線として検出した最初の成功例となりました。

ジェイムズ・ウェッブによる観測結果は、TRAPPIST-1bが可視光では明るく見えないものの、赤外線では以前の予想よりもはるかに明るく輝いていることを示しました。これは、表面が従来推定されていた平衡温度よりも約100℃高い約230℃にまで加熱されていることを裏付けています。表面が高温である場合、光を効率的に散乱させるような厚い大気を持つことは難しいと考えられています。さらに、他の二次食測光データの分析結果も、TRAPPIST-1bが「ほぼ黒体」に近い天体であることを示唆しており、惑星全体に熱を循環させるような大気はほとんど存在しないと結論付けられています。

TRAPPIST-1bに厚い大気が存在しない理由としては、惑星が形成された直後で主星が現在より明るかった時代に大気を失ったか、あるいは主星からの強力なフレアによって大気が剥ぎ取られた可能性が最も高いと考えられています。ただし、研究チームのリーダーであるトーマス・グリーン氏によれば、熱循環にほとんど影響を与えないような、非常に薄い大気が存在する可能性は完全には排除されていないとのことです。

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