惑星磁気の解明:系外惑星は太陽系の謎への手がかりを提供する|地学

独自の磁場を持っている可能性のある遠く離れた岩石の世界の新たな観測は、天文学者が太陽系の惑星を取り巻く一見無計画な磁場を理解するのに役立つ可能性がある。

天の川銀河には、独自の磁場を形成している可能性のある異世界がたくさんあります。天文学者はそれらを見つけるだけで十分です。

アリソン・リー/クアンタ・マガジン

はじめに

何十年もの間、天文学者は惑星の磁場に困惑してきました。私たちの太陽系では、どの世界がこれらの磁気シースを生成するかを説明する規則はありません。たとえば、地球には磁気シースがありますが、その姉妹世界である金星にはありません。

天文学者たちは、磁気の謎を理解する最良の方法の 1 つは、他の太陽の周りを回る世界を研究することであるのではないかと考えています。系外惑星の磁場の人口調査を収集することによって、研究者はそれらが他の世界に共通する特徴であるかどうかを判断することができます。マサチューセッツ工科大学ヘイスタック天文台で系外惑星を研究する天文学者メアリー・ナップ氏は、そうすることで太陽系の状況を把握し、長年の好奇心を解決するのに役立つだろうと述べた。

「地球と金星は良い例です。2 つの惑星は、大きさも似ており、組成もかなり似ていますが、磁場の点では大きく異なります。」とナップ氏は言いました。

このような国勢調査を構築することは、さらには系外惑星の磁場を見つけることさえも困難でした。なぜなら、これらの磁場は微弱で検出するのが難しいからです。しかし4月、2つの独立したチームが、約12光年離れた小さな薄暗い赤色矮星の周りを回る岩石惑星によって生成された磁場の痕跡と思われるものを発見した。くじら座YZ bと呼ばれるこの惑星は地球よりわずかに小さく、私たちが知っているように、生命が存在するには暑すぎる可能性があります。しかし、岩石の多い世界で磁場を発見できれば、磁場がどのように形成され、それが惑星の進化にどのような影響を与えるか、さらには磁場が生命に適しているかについてさらに詳しく知ることができるかもしれません。

バックネル大学の天文学者でチームの一員であるジャッキー・ヴィラセン氏は、「太陽系の経験から、惑星が時間の経過とともにどのように大気を失ったり維持したりするかに影響を与える上で、磁場が重要な役割を果たしていることがわかっている」と述べた。「私たちは次の質問に答えようとしています。地球に似た惑星では、強い地球規模の磁場がどのくらい一般的ですか?」

無線信号

私たちの太陽系では、地球と 4 つの巨大な惑星 (木星、土星、天王星、海王星) には大きな磁場があります。水星にはかすかな磁場しかありませんが、火星には過去にもっと強固な磁場があった可能性が非常に高く、完全には理解されていない理由でそれを失いました。

惑星の磁場は、惑星の中心で撹拌される溶融金属から作られたダイナモと呼ばれるエンジンによって生成されます。この撹拌により、磁場を駆動する電流が生成されます。地球と 4 つの巨大ガス惑星では、このプロセスは惑星の周囲に保護繭を形成するのに十分強力で、さもなければ惑星の大気を吹き飛ばしてしまう荷電粒子を逸らします。

メリル・シャーマン/クアンタ・マガジン

カナダのクイーンズ大学の天文学者アヤン・ビスワス氏は、「磁場は放射線からの盾のように機能する」と語る。「それらは人生にとって非常に重要です。」

科学者たちは、既知の 5,000 個の系外惑星の多くには磁場があるのではないかと疑っていますが、それを検出することは別の問題です。 1970年代、天文学者たちは、惑星の磁場がその惑星の主星と相互作用すると、オーロラ放出として知られる、星から放射される低周波電波の観測可能なスパイクを生成するのではないかと推測しました。地球から見た場合、これらのスパイクのタイミングは、惑星の軌道上での位置によって異なります。それらは、惑星の存在を間接的に明らかにする周期的な指紋のようなものです。

1992 年に初めて系外惑星が発見される前から、「人々はこれが系外惑星を探すのに非常に良い方法だと考えていました」とコーネル大学の天文学者ジェイクターナーは述べています。

この技術は難しいことが判明した。これまで惑星系外磁場の確実な検出は行われていませんが、有望な候補は存在します。

アリゾナ州立大学の天体物理学者エフゲニヤ・シュコルニク氏らは、2019年に磁場のヒントを得るために、4つのホットジュピター（恒星の近くを周回する巨大な惑星）からの大気データを利用して磁場のヒントを得た。2021年、ターナー率いるチームはオランダの低周波アレイ（LOFAR）望遠鏡を使用して、タウうしかい星系の惑星磁場に関連する無線信号を検出した。地球から51光年。そして 2021 年後半、パリ天体物理学研究所のロトフィベンジャッフェルらは、地球から 123 光年離れた HAT-P-11 b と呼ばれる海王星に似た惑星から、この惑星の磁気圏を示唆する紫外線放射を検出しました。

しかし、どの検出も決定的なものではなく、岩石惑星に関するものでもありませんでした。

バックネル大学の天文学者ジャッキーヴィラセンは、岩石の系外惑星の磁場を研究しています。

エミリー・ペイン/バックネル大学

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2017 年、天文学者たちは、50 年近く仮説を立ててきたタイプの間接観測にまさに必要なシステムを発見しました。 3 つの岩石惑星が、宇宙石ほどの距離にある赤色矮星くじら座 YZ の周りを周回していました。この星系は私たち自身の惑星に近いため、その惑星、特に最も内側の惑星であるくじら座 YZ b は好都合な標的となっている。さらに、赤色矮星は通常、太陽のような星よりも強い磁場を持っているため、周回惑星の磁場の痕跡を特定するのが容易になります。「これは、これらの基準を満たす最初に発見されたシステムの 1 つです」と Villadsen 氏は言いました。

現在、2つのチームがYZ Ceti bによって作られた磁場の証拠を発見した。両チームは、くじら座 YZ が星の周りの 2 日間の軌道で同様の地点に到達したときに発生したと思われる、周期的な電波のバーストを発見しました。チームの 1 つであるビラセンのチームは、ニューメキシコ州の超大型アレイを使用して証拠となる無線指紋を検出しました。「この明るさの電波を引き起こすためには、地球が地球と同様の磁場の強さを必要とすることが判明しました」とヴィラセン氏は言いました。

ビスワスを含む他のチームはそのすぐ後に結果を発表した。そのグループは、インドの巨大メートル波電波望遠鏡を使用して、周期的な電波スパイクの同様の観測を行いました。「[信号が] 地球から来ていることを 99% 確信しています」とビスワス氏は言いました。

Ayan Biswas らは、系外惑星くじら座 YZ から来る磁場の指紋を検出しました。

アヤン・ビスワスの提供

どちらの研究にも関与していないシュコルニク氏は、結果は有望であると述べた。「まだ確証とは考えていないが、非常に示唆に富んだものだ」と彼女は語った。より確実な検出には、星と周期的な電波スパイクのさらなる観測が必要となるだろう。彼女と他の人々は、地球から 40 光年離れた赤色矮星の周りを回る地球サイズの 7 つの世界からなる TRAPPIST-1 系や、4.25 光年で地球に最も近い恒星であり、(おそらく) 岩石惑星を擁する赤色矮星プロキシマケンタウリでも同様の観測が試みられることを期待しています。

月へ

惑星系外磁場を見つけることは、惑星系磁場がどの程度広がっているか、また惑星がどのように磁気を生成するかを理解するために非常に重要です。オランダ電波天文学研究所の天文学者、ロバート・カバナー氏は、「これらの物質が惑星上でどのように生成されるかについては、驚くべき理解がまだできていません」と述べています。

私たちの太陽系では、ダイナモが鍵となるようです。しかし、ダイナモは、特にこれまでに発見された最も一般的なタイプの系外惑星の一つである「スーパーアース」（地球と海王星の間にある質量の世界）において、惑星磁場を生成する唯一の方法ではない可能性がある。ロチェスター大学の惑星科学者ミキ・ナカジマ氏は、内部が溶けているが固体の核がない世界の内部で、惑星内の熱変動が機能するかどうかを研究している。「私はマグマオーシャンが磁場を生み出すことができるかどうかに興味があります」と彼女は言い、「マグマオーシャンはスーパーアースではかなり一般的であるはずです。」

しかし、天文学者らは、探索を 1 回限りの検出から期待する種類の国勢調査に変えるには、新しい技術が必要であると述べています。

ナップ氏が取り組んでいるアイデアの 1 つは「GO-LoW」と呼ばれ、数千機の小型宇宙船を使用して系外惑星からの電波を研究するというものだ。もう 1 つのアイデアは、NASA が提案した電波アレイ、FARSIDE です。これは、地球からの電波干渉を受けずに月の裏側に設置されるものです。これらのプロジェクトのいずれかが実現すれば、天文学者たちはこれらの永続的な謎を解決するか、あるいはさらに不可解なこの世のものとは思えない楽しみの宝庫を明らかにするかもしれません。

「木星サイズのフィールドを持つ地球、それとも地球サイズのフィールドを持つ木星が見つかるでしょうか？」ナップは言った。「分かりませんが、ぜひ知りたいと思っています。」

訂正:2023 年 8 月 8 日。
Robert Kavanagh の所属が更新されました。

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