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

Before the discovery of exoplanets, most astronomers expected that other planetary systems would be much like our own—planets following roughly circular orbits, with the most massive planets several AU from their parent star. Such systems do exist in large numbers, but many exoplanets and planetary systems are very different from those in our solar system. Another surprise is the existence of whole classes of exoplanets that we simply don’t have in our solar system: planets with masses between the mass of Earth and Neptune, and planets that are several times more massive than Jupiter.

系外惑星が発見される前、天文学者の多くは、ほかの惑星系も太陽系によく似ていると予想していた。惑星はほぼ円形の軌道を進み、最も重い惑星は主星から数AU離れている、という姿である。そのような系は確かに多数あるが、系外惑星や惑星系の多くは、太陽系とは大きく違う。もう一つの驚きは、太陽系にはまったくない系外惑星の種類が、丸ごと存在することである。地球と海王星の中間の質量の惑星や、木星の何倍もの質量を持つ惑星が、それに当たる。

The Kepler telescope has been responsible for the discovery of most exoplanets, especially at smaller sizes, as illustrated in Figure 21.22, where the Kepler discoveries are plotted in yellow. You can see the wide range of sizes, including planets substantially larger than Jupiter and smaller than Earth. The absence of Kepler-discovered exoplanets with orbital periods longer than a few hundred days is a consequence of the 4-year lifetime of the mission. (Remember that three evenly spaced transits must be observed to register a discovery.) At the smaller sizes, the absence of planets much smaller than one earth radius is due to the difficulty of detecting transits by very small planets. In effect, the “discovery space” for Kepler was limited to planets with orbital periods less than 400 days and sizes larger than Mars.

ケプラー望遠鏡は、特に小さな系外惑星を中心に、系外惑星の大半の発見を担ってきた。図21.22では、ケプラーによる発見を黄色で描いている。木星よりかなり大きな惑星から地球より小さな惑星まで、広い大きさの範囲が見て取れる。数百日より長い公転周期を持つケプラー発見惑星がないのは、ミッションの期間が4年だったためである。発見と認めるには、等間隔のトランジットを三回観測する必要があった。小さい側で地球半径を大きく下回る惑星がないのは、非常に小さな惑星のトランジットを検出するのが難しいためである。実質的に、ケプラーの「発見可能な範囲」は、公転周期が400日未満で、火星より大きい惑星に限られていた。

One of the primary objectives of the Kepler mission was to find out how many stars hosted planets and especially to estimate the frequency of earthlike planets. Although Kepler looked at only a very tiny fraction of the stars in the Galaxy, the sample size was large enough to draw some interesting conclusions. While the observations apply only to the stars observed by Kepler, those stars are reasonably representative, and so astronomers can extrapolate to the entire Galaxy.

ケプラー計画の主要な目的の一つは、どれほどの恒星が惑星を持つかを調べ、とりわけ地球のような惑星の存在頻度を見積もることだった。調べたのは天の川銀河の星のごく一部にすぎないが、興味深い結論を引き出すには十分な標本数だった。観測結果が直接当てはまるのは、ケプラーが観測した星だけである。しかしそれらは十分に代表的な標本なので、天文学者は結果を天の川銀河全体へ広げて推定できる。

Figure 21.23 shows that the Kepler discoveries include many rocky, Earth-size planets, far more than Jupiter-size gas planets. This immediately tells us that the initial Doppler discovery of many hot Jupiters was a biased sample, in effect, finding the odd planetary systems because they were the easiest to detect. However, there is one huge difference between this observed size distribution and that of planets in our solar system. The most common planets have radii between 1.4 and 2.8 that of Earth, sizes for which we have no examples in the solar system. These have been nicknamed super-Earths, while the other large group with sizes between 2.8 and 4 that of Earth are often called mini-Neptunes.

図21.23から、ケプラーの発見には岩石質の地球サイズの惑星が多数含まれ、木星サイズのガス惑星を大きく上回るとわかる。つまり初期のドップラー観測で見つかった多数のホットジュピターは、偏った標本だった。見つけやすいという理由で、実際には風変わりな惑星系を探し当てていたのだ。しかし、観測された大きさの分布と太陽系の惑星の分布との間には、大きな違いが一つある。最も多い惑星の半径は地球の1.4〜2.8倍で、太陽系にはその大きさの例がない。スーパーアースという愛称で呼ばれる。もう一つの大きな集団である、地球の2.8〜4倍の大きさの惑星は、しばしばミニネプチューンと呼ばれる。

What a remarkable discovery it is that the most common types of planets in the Galaxy are completely absent from our solar system and were unknown until Kepler’s survey. However, recall that really small planets were difficult for the Kepler instruments to find. So, to estimate the frequency of Earth-size exoplanets, we need to correct for this sampling bias. The result is the corrected size distribution shown in Figure 21.24. Notice that in this graph, we have also taken the step of showing not the number of Kepler detections but the average number of planets per star for solar-type stars (spectral types F, G, and K).

天の川銀河で最も一般的な種類の惑星が、太陽系にはまったくなく、ケプラーの探査まで知られていなかったとは、驚くべき発見である。ただし、とても小さな惑星はケプラーでも見つけにくかったことを思い出してほしい。地球サイズの系外惑星の存在頻度を見積もるには、この標本抽出の偏りを補正する必要がある。その結果が、図21.24の補正済みの大きさの分布である。またこのグラフでは、ケプラーの検出数ではなく、太陽型の恒星、すなわちスペクトル型F・G・Kの星について、恒星一個当たりの平均惑星数を示している。

We see that the most common planet sizes of are those with radii from 1 to 3 times that of Earth—what we have called “Earths” and “super-Earths.” Each group occurs in about one-third to one-quarter of stars. In other words, if we group these sizes together, we can conclude there is nearly one such planet per star! And remember, this census includes primarily planets with orbital periods less than 2 years. We do not yet know how many undiscovered planets might exist at larger distances from their star.

最も一般的なのは、半径が地球の1〜3倍の惑星、ここで「地球型の大きさの惑星」や「スーパーアース」と呼んだものだとわかる。各集団は恒星の約3分の1〜4分の1で見られる。言い換えれば、これらの大きさをまとめると、恒星一個につき、このような惑星がほぼ一個あると結論できる。しかも、この個数調査に主に含まれているのは、公転周期が2年未満の惑星である。恒星からさらに遠いところに、未発見の惑星がどれほどあるかは、まだわかっていない。

All the new observations of exoplanets allow astronomers to estimate the total number of planets in our galaxy. For solar type stars (spectral types F, G, or K), we find that while many stars have no planets, many others have multiple planets. The amazing conclusion from these observations is that there may be more planets in our galaxy than stars. Surely, this will turn out to be one of the most important results from astronomy in this century.

系外惑星の新たな観測を総合すると、天文学者は天の川銀河にある惑星の総数を推定できる。太陽型の恒星、スペクトル型F・G・Kについては、惑星を持たない星が多い一方、複数の惑星を持つ星も多数あるとわかる。観測から得られる驚くべき結論は、天の川銀河には恒星より多くの惑星があるかもしれない、ということである。これはきっと、今世紀の天文学の最も重要な成果の一つとなるだろう。