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

Traditionally, astronomers have assumed that the planets in our solar system formed at about their current distances from the Sun and have remained there ever since. The first step in the formation of a giant planet is to build up a solid core, which happens when planetesimals collide and stick. Eventually, this core becomes massive enough to begin sweeping up gaseous material in the disk, thereby building the gas giants Jupiter and Saturn.

従来、天文学者は、太陽系の惑星は現在とほぼ同じ距離で形成され、その後もそこにとどまってきたと仮定していた。巨大惑星形成の第一段階は、微惑星が衝突してくっつき、固体のコアを作ることである。やがてコアは、円盤のガスを取り込み始められるほど大きな質量になる。そうして巨大ガス惑星の木星や土星が作られる。

The traditional model for the formation of planets works only if the giant planets are formed far from the central star (about 5–10 AU), where the disk is cold enough to have a fairly high density of solid matter needed to make the planet cores. It cannot explain the hot Jupiters, which are located very close to their stars where there is no solid matter because it would be completely vaporized. It also cannot explain the elliptical orbits we observe for some exoplanets because the orbit of a protoplanet, whatever its initial shape, will quickly become circular through interactions with the surrounding disk of material and will remain that way as the planet grows by sweeping up additional matter.

従来の惑星形成モデルが成り立つのは、巨大惑星が中心星から遠い、約5〜10 AUの場所で形成される場合だけである。そこでは円盤が十分冷たく、惑星のコアを作るのに必要な固体物質が比較的高い密度で存在できる。このモデルではホットジュピターを説明できない。主星に非常に近い場所では、固体物質は完全に蒸発してしまい、存在しないからである。また、一部の系外惑星で見られる楕円軌道も説明できない。原始惑星の軌道は、初めにどのような形であっても、周囲の物質の円盤との相互作用であるぐ円形になる。そして、さらに物質を取り込んで惑星が成長しても、その形を保つからである。

So we have two options: either we find a new model for forming planets close to the searing heat of the parent star, or we find a way to change the orbits of planets originally formed in colder regions far from their parent starts, so that they can then travel inward after they form. Most research now supports the latter explanation.

そこで選択肢は二つである。主星の焼けつくような熱の近くで惑星を作る、新しいモデルを見つけるか。あるいは、主星から遠い冷たい領域で最初にできた惑星が、形成後に内側へ移動できるよう、軌道を変える仕組みを見つけるかである。現在の研究の大半は、後者の説明を支持している。

There are two ways that giant planets could travel inward. Calculations show that if a planet forms while a substantial amount of gas remains in the disk, then some of the planet’s orbital angular momentum can be transferred to the disk. As it loses momentum (through a process that reminds us of the effects of friction), the planet will spiral inward. This process can transport giant planets, initially formed in cold regions of the disk, closer to the central star—thereby producing hot Jupiters. Gravitational interactions between planets in the chaotic early solar system can also cause a newly formed giant planet to change its orbit to be more elliptical, carrying it into the hotter regions close to the star. Once it is in that more crowded region, the same forces that we mentioned earlier (that remind us of friction) can then cause its orbit to become circular again, but in the hotter region much closer to the star.

巨大惑星が内側へ移動する方法は二つある。計算によると、円盤にガスが相当量残っているうちに惑星ができれば、惑星の軌道角運動量の一部が円盤へ移されることがある。摩擦の効果を思わせるこの過程で角運動量を失うと、惑星はらせんを描いて内側へ進む。円盤の冷たい領域で生まれた巨大惑星を中心星に近づけ、ホットジュピターを作れるわけだ。また、初期の混沌とした太陽系での惑星同士の重力相互作用によって、生まれたばかりの巨大惑星の軌道がより楕円形になり、星に近い高温の領域へ入り込むこともある。その密集した領域へ入ると、先ほどの摩擦を思わせる力によって、軌道は再び円形になりえる。ただし今度は、恒星にはるかに近い、高温の領域での円軌道である。

In some cases, we can use the combination of transit plus Doppler measurements to determine whether the planets orbit in the same plane and in the same direction as the star. For the first few cases, things seemed to work just as we anticipated: like the solar system, the gas giant planets orbited in their star’s equatorial plane and in the same direction as the spinning star.

トランジットとドップラー測定の組み合わせによって、惑星が恒星の自転と同じ平面・同じ向きに回るかどうかを判断できる場合がある。最初の数例では、予想どおりのようだった。太陽系と同様に、巨大ガス惑星は主星の赤道面内を、自転と同じ向きに回っていたのだ。

Then, some startling discoveries were made of gas giant planets that orbited at right angles or even in the opposite sense as the spin of the star. How could this happen? Again, there must have been interactions between planets. It’s possible that before the system settled down, two planets came close together, so that one was kicked into an unusual orbit. Or perhaps a passing star perturbed the system after the planets were newly formed.

ところがその後、主星の自転に対して直角の軌道や、逆向きの軌道を持つ巨大ガス惑星が見つかり、驚きをもたらした。どうしてそんなことが起こるのだろうか。やはり惑星同士の相互作用があったはずである。系が落ち着く前に二つの惑星が接近し、一方が珍しい軌道へはじき出された可能性がある。あるいは、惑星が生まれた後に、通りかかった恒星が系の軌道を乱したのかもしれない。

When the Milky Way Galaxy was young, the stars that formed did not contain many heavy elements like iron. Several generations of star formation and star death were required to enrich the interstellar medium for subsequent generations of stars. Since planets seem to form “inside out,” starting with the accretion of the materials that can make the rocky cores with which planets start, astronomers wondered when in the history of the Galaxy, planet formation would turn on.

天の川銀河が若かったころに生まれた恒星には、鉄のような重元素があまり含まれていなかった。次の世代の恒星のために星間物質を重元素に富むものにするには、何世代かの星の誕生と死が必要だった。惑星は「内側から外側へ」作られるようである。初めに岩石のコアを作る材料が集まることから始まる。そのため天文学者は、天の川銀河の歴史のいつごろ、惑星形成が始まったのだろうかと考えた。

The star Kepler-444 has shed some light on this question. This is a tightly packed system of five planets—the smallest comparable in size to Mercury and the largest similar in size to Venus. All five planets were detected with the Kepler spacecraft as they transited their parent star. All five planets orbit their host star in less than the time it takes Mercury to complete one orbit about the Sun. Remarkably, the host star Kepler-444 is more than 11 billion years old and formed when the Milky Way was only 2 billion years old. So the heavier elements needed to make rocky planets must have already been available then. This ancient planetary system sets the clock on the beginning of rocky planet formation to be relatively soon after the formation of our Galaxy.

この問いに手掛かりを与えたのが、ケプラー444である。これは五つの惑星が密集した系で、最小の惑星は水星と、最大の惑星は金星と同程度の大きさである。五つとも主星の手前を通過したため、ケプラーで検出された。すべて、水星が太陽を一周するよりも短い時間で、主星を回る。驚くべきことに、主星ケプラー444は110億歳を超え、天の川銀河がまだ20億歳だったころに形成された。つまり、岩石惑星に必要な重元素は、その時点であるでに利用できたはずである。この古代の惑星系によって、岩石惑星形成の始まりは、天の川銀河の形成後、比較的早い時期にまでさかのぼるとわかる。

Kepler data demonstrate that while rocky planets inside Mercury’s orbit are missing from our solar system, they are common around other stars, like Kepler-444. When the first systems packed with close-in rocky planets were discovered, we wondered why they were so different from our solar system. When many such systems were discovered, we began to wonder if it was our solar system that was different. This led to speculation that additional rocky planets might once have existed close to the Sun in our solar system.

ケプラーのデータによると、太陽系には水星軌道の内側に岩石惑星はないが、ケプラー444のようなほかの恒星では一般的である。主星の近くに岩石惑星が詰まった最初の系が見つかったとき、私たちは、なぜ太陽系とこんなに違うのかと考えた。同じような系が多数見つかると、今度は違っているのは太陽系のほうなのではないかと考え始めた。そこから、太陽系にもかつて、太陽の近くに別の岩石惑星があったのかもしれないという推測が生まれた。

There is some evidence from the motions in the outer solar system that Jupiter may have migrated inward long ago. If correct, then gravitational perturbations from Jupiter could have dislodged the orbits of close-in rocky planets, causing them to fall into the Sun. Consistent with this picture, astronomers now think that Uranus and Neptune probably did not form at their present distances from the Sun but rather closer to where Jupiter and Saturn are now. The reason for this idea is that density in the disk of matter surrounding the Sun at the time the planets formed was so low outside the orbit of Saturn that it would take several billion years to build up Uranus and Neptune. Yet we saw earlier in the chapter that the disks around protostars survive only a few million years.

外側の太陽系の運動には、木星が遠い昔に内側へ移動した可能性を示す証拠がある。それが正しければ、木星の重力による摂動が、太陽の近くの岩石惑星の軌道を崩し、太陽へ落下させた可能性がある。この見方とも整合するように、天文学者は現在、天王星と海王星は今の距離ではなく、木星と土星が今ある場所に近いところでできたのだろうと考えている。理由は、惑星形成時の太陽を取り巻く物質の円盤では、土星軌道より外の密度が低すぎたからである。そこでは天王星と海王星を作るのに数十億年かかってしまう。しかしこの章の前の部分で見たように、原始星の円盤は数百万年しか存続しない。

Therefore, scientists have developed computer models demonstrating that Uranus and Neptune could have formed near the current locations of Jupiter and Saturn, and then been kicked out to larger distances through gravitational interactions with their neighbors. All these wonderful new observations illustrate how dangerous it can be to draw conclusions about a phenomenon in science (in this case, how planetary systems form and arrange themselves) when you are only working with a single example.

そこで科学者たちは、天王星と海王星が木星・土星の現在位置の近くででき、その後、隣の惑星との重力相互作用で、より遠い場所へはじき出されうることを示すコンピューターモデルを作った。こうした素晴らしい新観測は、一例しか知らない状態で科学現象について結論を下すことが、いかに危ういかを教える。ここでの現象は、惑星系がどのように形成され、どのような配置になるかということである。

Exoplanets have given rise to a new picture of planetary system formation—one that is much more chaotic than we originally thought. If we think of the planets as being like skaters in a rink, our original model (with only our own solar system as a guide) assumed that the planets behaved like polite skaters, all obeying the rules of the rink and all moving in nearly the same direction, following roughly circular paths. The new picture corresponds more to a roller derby, where the skaters crash into one another, change directions, and sometimes are thrown entirely out of the rink.

系外惑星によって、惑星系形成の新しい姿が浮かんだ。当初考えていたより、ずっと混沌とした姿である。惑星をリンクのスケーターにたとえるなら、太陽系だけを手掛かりにした最初のモデルでは、惑星は行儀のよいスケーターだった。全員がリンクの規則を守り、ほぼ円形の道を、ほぼ同じ向きに進むと考えていたのだ。新しい姿は、むしろローラーダービーに似ている。スケーターは互いにぶつかり、方向を変え、ときにはリンクの外へ完全に投げ出される。