溶岩に覆われた一部の系外惑星が数十億年にわたり大気を保持する理由

スタンフォード大学の研究チームが、恒星に極めて近い位置にある灼熱の溶岩惑星が、数十億年にわたって大気を保持できる理由を解明した。理論的には、このような環境では恒星からの強い放射により大気が剥ぎ取られるはずだが、最近の観測で多数の大気を持つ溶岩惑星が発見されており、従来の理論では説明がつかなかった。

この矛盾を生じさせている典型例が「55 Cancri e」である。この惑星は地球の約8倍の質量を持つスーパーアースで、水星よりもはるかに恒星に近い軌道を周回している。2024年にジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が驚くほど厚い大気を検出し、その後、似た性質を持つ溶岩惑星の観測報告が相次いでいた。

研究チームは、惑星の大気と溶岩表面間のガス交換、大気から宇宙空間への気体放出、溶岩の冷却と固化といった要素を含むシミュレーションモデルを構築した。その結果、これら溶岩惑星における大気の維持は、惑星内部からのガス放出と、恒星放射による大気喪失のバランスにより説明できることが分かった。溶岩が絶えず表面を流動することで、内部からのガス供給が継続され、失われた大気が補給される仕組みである。研究チームは、これまでの「宇宙の海岸線」という概念を拡張し、新たに「宇宙の砂州」という領域を提案した。海岸線から砂州までの領域では、惑星が十分な熱を保ち、内部のガス放出が大気喪失に対抗でき、かつ表面が完全に固化しないほどの温度を維持する。55 Cancri eなどの大型スーパーアースがこの領域に該当する。一方、水星のようにさらに恒星から遠い位置にある惑星は、形成直後に急速に冷却・固化し、ガス供給が止まる「無大気の谷」に陥る。この理論的枠組みの拡張により、惑星の大気保持能力の予測精度が向上すると期待される。

この発見は、地球外生命の探索戦略に直結する。従来は「水を追え」という方針で地球型惑星を探索してきたが、太陽系外惑星の調査では「大気を追え」という戦略が重要になる。大気を持つ惑星であることが判明すれば、生存可能性の評価対象となり、その後の詳細な観測や分析が正当化されるからである。本研究により、従来の想定より広い範囲の惑星が大気を保持可能であることが分かれば、生命探索の対象候補がさらに増える可能性がある。

日本の宇宙産業にとっても、この知見は重要である。次世代の惑星観測衛星や分光計測装置の開発では、どの惑星を優先的に観測すべきかの判断材料として機能する。また、火星や金星などの近傍惑星の大気進化を理解することは、将来の無人・有人探査ミッションの設計にも影響を与える。部品・装置メーカーにとっては、こうした科学的進展が、宇宙探査機や観測機器への需要を生み出す源泉となる点を認識することが重要である。

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