第21章星の誕生と太陽系外惑星の発見The Birth of Stars and the Discovery of Planets outside the Solar System

The best possible evidence for an earthlike planet elsewhere would be an image. After all, “seeing is believing” is a very human prejudice. But imaging a distant planet is a formidable challenge indeed. Suppose, for example, you were a great distance away and wished to detect reflected light from Earth. Earth intercepts and reflects less than one billionth of the Sun’s radiation, so its apparent brightness in visible light is less than one billionth that of the Sun. Compounding the challenge of detecting such a faint speck of light, the planet is swamped by the blaze of radiation from its parent star.

ほかの場所に地球のような惑星があることの、最もよい証拠は画像だろう。結局「見ることは信じること」というのは、とても人間らしい思い込みである。しかし遠方の惑星を撮影するのは、実に困難な課題である。たとえば、非常に遠い場所から地球の反射光を検出したいとしよう。地球が受け止めて反射するのは、太陽の放射の10億分の1未満である。そのため、可視光での見かけの明るさも太陽の10億分の1未満である。しかも惑星は主星のまぶしい放射に埋もれており、このかすかな光の点を検出する難しさを、さらに増している。

Even today, the best telescope mirrors’ optics have slight imperfections that prevent the star’s light from coming into focus in a completely sharp point.

今日の最良の望遠鏡の鏡でも、光学的にはわずかな不完全さがあり、恒星の光を完全に鋭い一点へ集めることはできない。

Direct imaging works best for young gas giant planets that emit infrared light and reside at large separations from their host stars. Young giant planets emit more infrared light because they have more internal energy, stored from the process of planet formation. Even then, clever techniques must be employed to subtract out the light from the host star. In 2008, three such young planets were discovered orbiting HR 8799, a star in the constellation of Pegasus (Figure 21.21). Two years later, a fourth planet was detected closer to the star. Additional planets may reside even closer to HR 8799, but if they exist, they are currently lost in the glare of the star.

直接撮像が最も有効なのは、赤外線を放ち、主星から大きく離れている若い巨大ガス惑星である。若い巨大惑星は、形成過程から蓄えた内部エネルギーが多いため、赤外線をより多く放射する。それでも、主星の光を差し引く巧妙な手法が必要である。2008年、ペガスス座のHR 8799を回る、そのような若い惑星が三つ見つかった（図21.21）。2年後には、恒星により近い四つ目の惑星が検出された。さらに近くにも惑星があるかもしれないが、存在するとしても、今は恒星の輝きに隠れている。

Since then, a number of planets around other stars have been found using direct imaging. However, one challenge is to tell whether the objects we are seeing are indeed planets or if they are brown dwarfs (failed stars) in orbit around a star.

その後も、直接撮像によってほかの恒星の周囲にいくつもの惑星が見つかっている。しかし、見えている天体が本当に惑星なのか、それとも恒星を回る褐色矮星、つまり恒星になれなかった天体なのかを見分けることが、課題の一つである。

Direct imaging is an important technique for characterizing an exoplanet. The brightness of the planet can be measured at different wavelengths. These observations provide an estimate for the temperature of the planet’s atmosphere; in the case of HR 8799 planet 1, the color suggests the presence of thick clouds. Spectra can also be obtained from the faint light to analyze the atmospheric constituents. A spectrum of HR 8799 planet 1 indicates a hydrogen-rich atmosphere, while the closer planet 4 shows evidence for methane in the atmosphere.

直接撮像は系外惑星の性質を調べる重要な方法である。異なる波長で惑星の明るさを測ることができ、そこから大気の温度を推定できる。HR 8799の惑星1では、その色から厚い雲の存在が示唆される。かすかな光からスペクトルを得て、大気の成分を分析することもできる。HR 8799の惑星1のスペクトルは水素に富む大気を示し、より恒星に近い惑星4では、大気中のメタンの証拠が見られる。

Another way to overcome the blurring effect of Earth’s atmosphere is to observe from space. Infrared may be the optimal wavelength range in which to observe because planets get brighter in the infrared while stars like our Sun get fainter, thereby making it easier to detect a planet against the glare of its star. Special optical techniques can be used to suppress the light from the central star and make it easier to see the planet itself. However, even if we go into space, it will be difficult to obtain images of Earth-size planets.

地球大気によるぼやけを克服するもう一つの方法は、宇宙から観測することである。観測には赤外線が最適な波長域かもしれない。赤外線では惑星は明るくなり、太陽のような恒星は暗くなるため、恒星のまぶしさに対して惑星を検出しやすくなるからである。特殊な光学手法で中心星の光を抑え、惑星自体を見やすくできる。しかし宇宙へ出ても、地球サイズの惑星の画像を得るのは難しいだろう。

Several observational techniques have successfully detected planets orbiting other stars. These techniques fall into two general categories—direct and indirect detection. The Doppler and transit techniques are our most powerful indirect tools for finding exoplanets. Some planets are also being found by direct imaging.

複数の観測手法によって、ほかの恒星を回る惑星が検出されている。手法は大きく、直接検出と間接検出の二つに分かれる。間接的に系外惑星を見つける最も強力な方法は、ドップラー法とトランジット法である。直接撮像で見つかる惑星もある。