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論文関連の(ほぼ)個人用メモ。

地球に似た惑星発見、水も存在か 太陽系から4光年先:朝日新聞デジタル
Nature ハイライト:いよいよ見えてきた兄弟惑星:太陽に最も近い星であるプロキシマ・ケンタウリを周回している温暖な地球型惑星 | Nature | Nature Research
などでニュースにもなった,プロキシマ・ケンタウリの惑星の発見を報告する論文のメモです.




原論文へのリンク
Anglada-Escudé et al. (2016)
A terrestrial planet candidate in a temperate orbit around Proxima Centauri
(プロキシマ・ケンタウリまわりの温暖な軌道にある地球型惑星候補天体)

概要

太陽系から 1.295 pc (4.24 光年) の距離にあるプロキシマ・ケンタウリ (Proxima Centauri) は,太陽に最も近い恒星であり,またこれまでによく調べられている低質量の恒星である.
(プロキシマ・ケンタウリ:別名 α Centauri C,グリーゼ551,HIP 70890,あるいは単にプロキシマ)

プロキシマ・ケンタウリの有効温度は ~ 3050 K,光度は太陽の 0.15%であり,半径は太陽の 14%,質量は 12%である.恒星自体はやや活発だが,自転周期は ~ 83 日であり,不活発な場合の活動度と X 線光度は太陽と同程度になる.
ここでは,この恒星の周りにある,最小質量が 1.3 地球質量の系外惑星 (以下,Proxima b, プロキシマb と呼称) の視線速度法による検出を報告する.この惑星は,軌道周期が 11.2 日,軌道長半径が ~ 0.05 AU であり,表面の平衡温度は表面に水が存在できる範囲内にある

観測と解析

視線速度観測とデータの解析

今回の結果は,2016 年より前に得られていたドップラー測定データの解析と,2016 年に行われたフォローアップ観測で得られたデータの組み合わせによって得られたものである.ドップラー観測のデータは,High Accuracy Radial velocity Planet Searcher (HARPS) と,Ultraviolet amd Visual Echelle Spectrograph (UVES) の 2 つの装置によって得られた.この 2 つはどちらも欧州南天天文台 (European Southern Observatory, ESO) にある.

HARPS の視線速度観測の精度は,低質量星を観測した場合でも ~ 1 m s-1 である.
HAPRS の観測データは,2016 年よりも前の別の観測キャンペーンによって得られたデータと,最近の Pale Red Dot (PRD) キャンペーンで得られたデータの 2 セット存在する.

2016 年より前に行われた HARPS と UVES による観測データの解析では,11.2 日周期のシグナルが検出された.このシグナルを確定させること,あるいは反証することが,2016 年に行われた PRD キャンペーンでの観測のモチベーションであった.

PRD による HARPS での観測データ単独でも ~ 11.2 日周期のシグナルが検出されたが,2016 年より前のデータと PRD でのデータを合わせて解析することで,このシグナルを確定させることが出来た.合わせて解析した場合の false-alarm probability (FAP, 誤検出率) は 10-7 より小さい値となった.
また,シグナルの周期だけではなく,変動の位相と振幅も,過去の 16 年間に蓄積されたデータと整合的なものであった.

なお,60 - 500 日の範囲にもシグナルを検出したが,恒星の活動と,不十分なデータのサンプリングの影響により,このシグナルの性質や原因は不明である.

恒星活動との切り分け

恒星活動は,惑星が引き起こすシグナルに似たドップラーシグナルを作ることがある.これは,特に不均一な期間での観測を行って解析した際に起きうる.そのため,惑星ではなく恒星活動に起因するシグナルか検証するため,測光観測・分光観測でプロキシマ・ケンタウリの活動の様子も確認した.

時折発生するフレアの影響を除くと,おおむね 80 日周期の変動が検出された.これは,過去に測定されていたプロキシマ・ケンタウリの自転周期 ~ 83 日と同程度の値である.また,プロキシマ・ケンタウリのフレアがドップラーデータに及ぼす影響は小さく,これも過去の観測結果と整合的なものであった.

検出された ~ 11.2 日周期のシグナルを生み出せるような恒星の活動は見いだせなかったため,~ 11.2 日周期のシグナルはプロキシマ・ケンタウリが持つ惑星の公転運動に起因するものだと結論付けた
なお,これまでの参照できる全てのデータを調査したが,惑星がトランジットを起こしている (恒星の手前を通過している) ことを示す明確な光度曲線は発見できなかった.

プロキシマb による視線速度の変動の大きさは ~ 1.4 m s-1 であり,この値は他の視線速度法で発見されている系外惑星での値と比べて特別に小さいわけではない.2016 年より前の観測データからプロキシマb を明確に確定することが出来なかったのは,中心星であるプロキシマ・ケンタウリの長周期の変動と,非一様かつ間隔の空いた観測データの組み合わせが原因だろうと考えられる

パラメータ

プロキシマ・ケンタウリ
スペクトル型:M5.5V
質量:0.120 太陽質量
半径:0.141 太陽半径
光度:0.00155 太陽光度
有効温度:3050 K
自転周期:~ 83 日

プロキシマ・ケンタウリのまわりのハビタブルゾーンの範囲:~ 0.0423 - 0.0816 AU
ハビタブルゾーンの範囲内での公転周期:~ 9.1 - 24.5 日
プロキシマb
軌道周期:11.186 日
視線速度振幅:1.38 m s-1
軌道離心率:0.35 未満
軌道長半径:0.0485 AU
最小質量:1.27 地球質量
平衡温度:234 K (黒体を仮定した場合)
日射量:地球が太陽から受ける日射量の 65%

軌道の幾何学的な配置から推定した,トランジットを起こす確率:~ 1.5%
トランジットした場合のトランジット深さ:~ 0.5% (地球と類似した密度を仮定した場合)

シグナルが誤検出である確率 (FAP):7 × 10-8

議論

プロキシマ・ケンタウリとプロキシマb の系について

今回発見された惑星プロキシマb (Proxima b,あるいはプロキシマ・ケンタウリb) は,最小質量が ~ 1.3 地球質量 (視線速度法なので真の質量は不明,最小質量のみが算出できる) である.軌道長半径はおよそ 0.05 AU であり,これはプロキシマ・ケンタウリまわりの標準的なハビタブルゾーンの真ん中付近に相当する

なお,プロキシマb の他により長周期のスーパーアース質量の惑星が存在する可能性は,これまでの観測からは否定出来ない.ドップラー観測の振幅が 3 m s-1 未満の天体が存在する可能性の排除は出来ていない.数値計算の結果からは,そのような惑星が存在した場合であっても,プロキシマb の軌道の安定性には影響がないと考えられる.

惑星の居住可能性

プロキシマb のような M 型矮星のまわりにある系外惑星における habitability (ハビタビリティ,居住可能性) は,激しい議論の的となっている.
ハビタビリティに対する否定的なものとして代表的なものは,潮汐力による自転周期と公転周期の固定 (tidal locking),強い恒星磁場,強いフレア,紫外線や X 線のフラックスが挙げられる.しかしこれらのハビタビリティへの否定的な影響はまだ明確にはされていない.

潮汐力による固定は,全球的な大気循環と熱の再分配を介した安定な大気の存在を否定しない.
またプロキシマ・ケンタウリの全球平均での磁場強度は ~ 600 G であり,これは太陽の全球平均での磁場強度 (~ 1 G) と比較すると非常に強い.しかし最近の研究では,潮汐固定された惑星であっても,恒星の磁場やフレアによる惑星大気の侵食を防ぐだけの惑星磁場を持つことが出来るとされている.
プロキシマb は中心星に近いため,強い X 線にさらされることになる.プロキシマb が受ける X 線の強さは,地球が太陽から受ける X 線強度の ~ 400 倍程度となる.しかし,これによる大気の損失は比較的小さいだろうという予測もある.

今後の観測と惑星の形成過程

今後のさらなる観測と特徴付けによって,惑星の形成過程に迫ることも出来るだろう.

プロキシマb が現在存在する位置で形成されたとは考えづらい.これは,プロキシマ・ケンタウリのような小さい恒星の周りに出来る円盤では,1 AU の範囲内にある固体物質の総質量は 1 地球質量よりも少ないと考えられるからである (すなわち材料が足りない).

プロキシマb の形成シナリオとしては 3 つの可能性がある.
・惑星は外側で形成され,タイプ I 惑星移動によって内側まで移動してきた.
・惑星の種 (planetary embryo) が外側から移動してきて,現在の位置で集積して形成された.
・小さい粒子 (pebble) か小さい微惑星がガス抵抗によって中心星付近まで落下してきて集積し,惑星が形成された.

スノーライン (水が気体でいるか固体になるかの境目) より外側からの惑星や惑星の種の移動によって形成された場合,惑星は水などの揮発性物質を多く含む組成になるが,pebble の移動によるシナリオの場合はより乾燥した組成となる.

このプロキシマ・ケンタウリまわりにある温暖な地球型惑星は,今後の惑星の特徴付けのために,現在進行しているトランジットの検出の試みや,次の数十年に行われるであろう直接撮像や高分解能の分光観測のチャンスを与える.また,もしかしたら今後数世紀の間にロボットを使った探査などもあるかもしれない.









ニュースでかなり大きく取り上げられた,プロキシマ・ケンタウリの惑星検出に関する論文です.

プロキシマ・ケンタウリは太陽系に最も近い位置にある恒星で,三重連星のうちの一つです.
アルファ・ケンタウリ (ケンタウルス座アルファ星) の星系にあり,太陽と同程度のアルファ・ケンタウリAとアルファ・ケンタウリB が連星をなし,そのペアからかなり離れたところをプロキシマ・ケンタウリが公転している,という軌道の構造になっています.

なお,このうちアルファ・ケンタウリB (ケンタウルス座アルファ星B) に惑星が検出されたという報告が 2012 年にありましたが,これは誤検出だろうという指摘もあり,現在では誤検出だったのだろうという見方が主流です.

アルファ・ケンタウリ星系は太陽系に最も近い星系で,その中でも外側に大きく外れた位置にあるプロキシマ・ケンタウリが最も太陽系に近い恒星です.そのため,今回のプロキシマ・ケンタウリまわりの惑星「プロキシマb」の検出が正しければ,プロキシマb が太陽系に最も近い系外惑星であるということになります.


ちなみに今回のニュースですが,ESO が正式に情報を公開する前にも海外紙でニュースになっていて,日本でも
地球に似た惑星発見か 4・24光年離れた恒星近く、地表に水が存在する可能性も - 産経ニュース
という報道がされました.

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