在太陽系附近發(fā)現(xiàn)了低日照的小型系外行星
1 .主講人
福井曉彥(東京大學(xué)研究生院綜合文化研究科附屬先進科學(xué)研究機構(gòu)特任助教) 木村真博(東京大學(xué)研究生院理學(xué)系研究科地球行星科學(xué)專業(yè)博士課程2年級) 平野照幸(自然科學(xué)研究機構(gòu)天體生物學(xué)中心助教) 成田憲保(東京大學(xué)研究生院綜合文化研究科廣域科學(xué)專業(yè)附屬先進科學(xué)研究機構(gòu)教授)
2 .發(fā)表要點: ◆通過 TESS太空望遠鏡(注1 )和地面望遠鏡的合作，在太陽系附近發(fā)現(xiàn)了一顆大小為地球1.7倍的行星“TOI-2285b”。 ◆行星受到主星比較弱的日照，根據(jù)行星的組成，行星表面也有可能存在液態(tài)水。◆由于主星很明亮，今后可以調(diào)查行星的質(zhì)量和大氣組成。
3 .發(fā)表概要: 以東京大學(xué)和自然科學(xué)研究機構(gòu)宇宙生物學(xué)中心的研究者為中心的研究小組通過系外行星搜索衛(wèi)星TESS和地面望遠鏡的合作，在太陽系附近( 138光年外)發(fā)現(xiàn)了新的系外行星“TOI-2285b”。 這顆行星的大小(半徑)約為地球的1.7倍，另外，受到的太陽輻射量約為地球從太陽那里受到的太陽輻射量的1.5倍，比迄今為止發(fā)現(xiàn)的系外行星的大部分都要弱的太陽輻射。 雖然行星被認為具有比地球稍高的環(huán)境，但如果行星內(nèi)部具有H2O層，且具有以氫為主體的大氣，則行星表面也有可能存在液態(tài)水。 由于主星明亮，可以進行詳細的跟蹤觀測，今后通過調(diào)查行星的質(zhì)量和大氣組成，有望獲得關(guān)于行星內(nèi)部組成的更詳細的信息。
4 .發(fā)表內(nèi)容: 研究背景
2009年~ 2018年活躍在美國航空航天局( NASA )的開普勒太空望遠鏡，通過過境法(注2 )發(fā)現(xiàn)了超過4000個系外行星。 其中，也包括許多期待生命存在的溫暖小型系外行星(圖1 )。 但是，由開普勒太空望遠鏡發(fā)現(xiàn)的行星系大部分位于距離太陽系500光年以上的地方，主星較暗，難以獲得行星質(zhì)量和大氣組成等詳細信息。 因此，現(xiàn)在相當于開普勒太空望遠鏡后繼機的TESS太空望遠鏡，以全天明亮的恒星為對象進行系外行星的搜索。 在TESS探索中發(fā)現(xiàn)的明亮恒星周圍的行星，通過之后的追蹤觀測，有望獲得行星的質(zhì)量和大氣組成等詳細信息。 另一方面，由于分辨率和觀測期間等的制約，光靠TESS的觀測只能發(fā)現(xiàn)作為行星“候補”的天體。 因此，為了發(fā)現(xiàn)真正的行星，需要利用地面望遠鏡詳細觀測所發(fā)現(xiàn)的行星的候補天體，進行真?zhèn)蔚尿炞C。 因此，目前，以東京大學(xué)及自然科學(xué)研究機構(gòu)天體生物學(xué)中心的研究者為中心的研究小組，研究了國內(nèi)外口徑2米級的3臺望遠鏡上搭載的多色攝像裝置MuSCAT系列(注3 )、 以及夏威夷口徑8.2m昴望遠鏡搭載的紅外多普勒觀測裝置IRD (注4 )等，全力進行TESS搜索中發(fā)現(xiàn)的候選行星天體的驗證觀測(圖2 )。
研究成果 此次，研究小組從進行驗證觀測的候補行星中發(fā)現(xiàn)了繞太陽系較近( 138光年以外)的恒星公轉(zhuǎn)的行星“TOI-2285b”。 TOI-2285b的半徑約為地球的1.7倍，比較小，圍繞低溫(攝氏3200度)的恒星以約27天的周期公轉(zhuǎn)。 為了驗證在TESS中發(fā)現(xiàn)的候補行星天體是否是真正的行星，在多個波長下觀測過境非常重要。 但是，由于TOI-2285b的過境只在27日發(fā)生一次，因此能夠在好條件(夜間且晴朗的天氣)下從地面進行觀測的機會非常有限。 研究小組開發(fā)了3臺可以在多個波長同時觀測過境的MuSCAT系列，并配置在國內(nèi)外3臺望遠鏡上，因此，領(lǐng)先于世界確認了TOI-2285b是行星。 另外，通過使用世界屈指可數(shù)的可以精密測量行星質(zhì)量的紅外多普勒觀測裝置IRD，成功得到了行星質(zhì)量的上限值(地球質(zhì)量的1.9倍)。 雖然TOI-2285b和主星的距離只有地球和太陽的距離的約1/7左右，但由于主星的溫度很低，行星從主星受到的日照量估計為地球從太陽受到的日照量的約1.5倍。 雖然這種太陽輻射量比以前發(fā)現(xiàn)的其他許多系外行星要平穩(wěn)，但如果行星是和地球一樣只有稀薄大氣的巖石行星，其強度也會很強，以致行星表面的水很快干涸。 另一方面，如果行星中心核的外側(cè)存在H2O層，并且其外側(cè)被以氫為主體的大氣復(fù)蓋的話(注5 )，H2O層的一部分有可能作為液體穩(wěn)定地存在。 這次，研究小組在假設(shè)這樣的內(nèi)部組成的基礎(chǔ)上進行了TOI-2285b內(nèi)部的溫度和壓力的模擬，發(fā)現(xiàn)行星表層確實有可能存在液態(tài)水(海) (圖3 )。
今后的展望 今后，為了調(diào)查TOI-2285b的表層實際上是否存在液態(tài)水，首先正確測量行星的質(zhì)量，并與已經(jīng)明確的行星半徑和日照量的信息相結(jié)合，來制約行星的內(nèi)部組成變得很重要。 為了測量行星的質(zhì)量，主星必須足夠明亮，但TOI-2285b在太陽系附近的恒星公轉(zhuǎn)，通過紅外線看起來很明亮，因此使用安裝在IRD等大型望遠鏡上的紅外多普勒觀測裝置，可以實際測量質(zhì)量。 在這次的研究中，關(guān)于行星的質(zhì)量還只得到上限值，但通過今后的進一步觀測，可以期待測量行星的正確質(zhì)量，更接近行星的內(nèi)部組成。 另外，通過2021年12月即將發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡( JWST )等新一代望遠鏡，對行星的大氣組成進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大氣中有水等有望查明其他分子是否存在。 TOI-2285b的發(fā)現(xiàn)，也可以說是邁向未來系外行星“尋找生命痕跡”的重要一步。 今后，通過新一代大型太空望遠鏡和地面巨大望遠鏡，探索溫暖系外行星大氣中水和氧等生命痕跡分子的研究將成為可能。 另一方面，為了獲得生命痕跡的確鑿證據(jù)，光觀測1顆或2顆行星是不夠的，觀測盡可能多的行星被認為是重要的。 但是，目前作為觀測對象仍有希望的行星(在太陽系附近，小型且溫暖的行星)的數(shù)量非常有限(圖1 )。 TOI-2285b即使行星表層存在液態(tài)水，其環(huán)境(地殼的有無、大氣組成、氣候等)也可能與地球有很大不同，但目前仍可以說是有望成為尋找生命痕跡的行星候補之一。 由于TESS計劃至少在2022年之前繼續(xù)探索，因此與此次相同，通過與地面望遠鏡的合作，有望今后進一步增加與TOI-2285b同等或更有前景的行星數(shù)量。 本研究成果于2021年12月6日刊登在了日本學(xué)術(shù)雜志《日本全國廣播公司》的在線版上。 本研究由科研費新學(xué)術(shù)領(lǐng)域計劃研究“行星大氣的形成·進化及其多樣性的闡明”(研究代表者:生駒大洋，課題編號: JP18H05439 )、 科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)( JST )戰(zhàn)略性創(chuàng)造研究推進事業(yè)先驅(qū)研究領(lǐng)域“基于測量技術(shù)和高度信息處理融合的智能測量分析方法的開發(fā)和應(yīng)用”中的研究課題“基于多色同時拍攝觀測和高精度分析的第二地球們的探測”(研究者:成田憲保，課題編號: JPMJPR1775 )、 科研經(jīng)費基礎(chǔ)研究b“太陽系附近小型過境系外行星的發(fā)現(xiàn)和大氣的系統(tǒng)調(diào)查”(研究代表:福井曉彥，課題編號JP17H04574 )、大學(xué)共同利用機構(gòu)法人自然科學(xué)研究機構(gòu)天體生物學(xué)中心的項目“在TESS中發(fā)現(xiàn)的生命可居住行星候補的發(fā)現(xiàn)和特征。
5 .發(fā)表雜志: 雜志名稱:Publications of the Astronomical Society of Japan(網(wǎng)絡(luò)版: 12月6日) 論文標題: TOI-2285b: A 1.7 Earth-radius Planet Near the Habitable Zone around aNearby M Dwarf 作者: Fukui, A.*, Kimura, T., Hirano, T., Narita, N., et al. DOI編號: 10.1093/pasj/psab106
6 .咨詢處: <有關(guān)研究的事情> 東京大學(xué)研究生院綜合文化研究科附屬先進科學(xué)研究機構(gòu)特任助教福井曉彥 電子郵件: a Fukui g.ECC.u-Tokyo.AC.JP 東京大學(xué)研究生院綜合文化研究科廣域科學(xué)專業(yè)附屬先進科學(xué)研究機構(gòu)教授成田憲保 E-mail：narita[at]g.ecc.u-tokyo.ac.jp <宣傳相關(guān)的事情> 東京大學(xué)教養(yǎng)學(xué)部等總務(wù)科宣傳信息企劃小組 03-5454-6306 科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)宣傳科 03-5214-8404傳真: 03-5214-8432 E-mail：narita[at]g.ecc.u-tokyo.ac.jp <關(guān)于JST事業(yè)的事情> 科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)戰(zhàn)略研究推進部綠色創(chuàng)新集團嶋林優(yōu)子 03-3512-3526傳真: 03-3222-2066Email: presto[at]jst.go.jp
7 .用語解說: (注1 )正式名稱為transiting exo planet survey satellite。 2018年發(fā)射，使用渡越法(注2 )進行了繞全天明亮恒星的行星探索。 目前探索還將繼續(xù)到2022年。 (注2 )捕捉行星通過主星跟前(過境)時觀測到的主星周期性減光的方法。 用該方法可以求出行星的半徑和公轉(zhuǎn)周期。 (注3 )設(shè)置在岡山縣的188cm望遠鏡、西班牙特內(nèi)里費島口徑1.52m的望遠鏡和美利堅合眾國毛伊島口徑2m的望遠鏡上的、可以在可見光區(qū)域的3個或4個波段同時進行過境觀測的裝置(裝置名稱分別為MuSCAT、MuSCAT 本研究利用MuSCAT2和MuSCAT3確認了在TESS中觀測到的過境信號。 (注4 )可使用多普勒法高精度測量行星質(zhì)量的紅外線分光裝置。 本研究通過得到質(zhì)量的上限值，確認了進行過境的天體不是恒星，而是行星(質(zhì)量是木星的13倍以下)。 (注5 )根據(jù)行星的形成理論預(yù)測行星內(nèi)部H2O層的存在。 另一方面，關(guān)于以氫為主體的大氣，認為至少在行星形成的初期存在的可能性很高，但之后也有可能被主星放射出的高能電磁波( x射線和紫外線)剝離。
8 .附件:
圖1 :迄今為止發(fā)現(xiàn)的系外行星中，半徑為地球兩倍以下的行星距地球的距離(橫軸)和從主星受到的日照量(縱軸)的分布。 圓圈、星星和三角符號分別表示開普勒太空望遠鏡、TESS太空望遠鏡和地面望遠鏡發(fā)現(xiàn)的行星。 圖標的顏色表示主星在近紅外線下的亮度( j等級)，越接近黃色越明亮。 這次發(fā)現(xiàn)的TOI-2285b (大星號)，是所繪行星中主星第四亮的。 (信用:東京大學(xué))
圖2 :為發(fā)現(xiàn)2:TOI-2285b做出貢獻的觀測裝置。 從上至下開始依次為西班牙特內(nèi)里費島的1.52m米望遠鏡搭載的MuSCAT2、美利堅合眾國毛伊島的2米望遠鏡搭載的MuSCAT3、
美國夏威夷島昴望遠鏡搭載的IRD。 (信用: muscat 2，3為東京大學(xué)，IRD為天體生物學(xué)中心)
圖3 :想象著具有氫氣大氣和海洋的系外行星的插圖。 (信用:海狼/SASAMI-GEO-SCIENCE，inc.)
