NASA次世代大型望遠鏡、遠い惑星の海を発見可能か

人類がこれまで発見した数千の系外惑星のなかで、液体の海の存在が確実に確認されたことはない。アリゾナ大学の研究者たちが新たに発表した研究では、遠く離れた惑星の海を検出する方法として「グリント」と呼ばれる反射光の特性に着目する手法を提案している。

グリントとは、太陽光が水面に低い角度で当たるときに生じる鏡のような反射現象だ。地球でも海岸線で日光が水面を照らすとき、地平線が金色に輝く光景は多くの人が目にしたことがあるだろう。ただし、水以外の物質がこのような反射を起こすことは稀だ。砂や岩、土といった物質のほとんどは「ランバーティアン面」と呼ばれ、光を全方向に均等に散乱させてしまう。一方、水は異なる。上から見ると光は水を透過するか弱く反射するが、浅い角度から当たった光は強く反射され、その反射角の計算法は物理学で明確に定義されている。

系外惑星に対してこの現象は、惑星が三日月のような形に見える時期に起こり得る。このとき、恒星からの光が惑星の海面で反射され、反射光が直接望遠鏡に入射すれば、惑星は劇的に明るく見えるはずだ。この現象そのものは理論的な予測ではなく、実証されたものである。2009年、土星探査機カッシーニは土星の衛星タイタンの炭化水素湖で同様のグリント現象を検出した。さらに遡れば、カール・セーガンらの研究チームが木星探査機ガリレオのフライバイ時に地球の海からのグリントを観測している。つまり、この手法の有効性は確認済みだが、系外惑星に対しては未だ適用されていない。

研究者たちは、大気解析ツール「rfast」を改造し、風速と波の影響をモデル化する「コックス・ムンク海洋モデル」を組み込むことで、この問題に挑戦した。重要な発見は、相対的に高いノイズ環境下においても、位相角が120°以上あれば、海の有無を区別できるということだ。120°という角度が重要なのは、ここで「グリント赤化」という別の現象が発生するからである。この角度では、恒星光が海面で反射して望遠鏡に到達するまでに、惑星の大気を長く通過する。その過程で「レイリー散乱」という大気効果が働き、青い波長の光が散乱されて除去され、到達する光の色は赤く見えるようになる。この赤化の特性自体が、海と雲を区別するための追加的な指標になると考えられる。

この結果は、次世代の宇宙望遠鏡「生存可能世界天文台」（HWO）の設計者にとって朗報だ。従来の理論では、グリント検出は130°以上の位相角でのみ可能と考えられていた。120°まで低下することで、観測対象の惑星が恒星に近い配置での観測が可能になり、恒星光を遮蔽することが最大の課題であるHWOの設計に10°の余裕が生まれた。

しかし、この研究は同時に課題も指摘している。最大の障害は雲の存在だ。シミュレーションでは地球型惑星に50%の雲覆率を仮定したが、太陽系内でも厚い雲層を持つ惑星は多い。高所にある巻雲のような場合、グリント現象を模倣する光の散乱が発生し、実際には海がないのに検出される可能性がある。こうした偽陽性を区別する方法も存在するが、光年単位の距離にある惑星の海を見つけることの難しさは明らかだ。また、研究者たちは地球自体が三日月位相にあるときのデータをほとんど持たないことを指摘しており、HWO科学者が観測データを正しく解釈するためには、そうしたトレーニングデータの蓄積が不可欠になるだろう。

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