Looking for Earth 2.0 in binary systems

数千の太陽系外惑星が発見されてから数十年が経つが、天文学者の真の目標である「地球規模の岩石惑星が太陽のような恒星の生存可能領域を周回する世界」はまだ見つかっていない。その大きな理由の一つが恒星の配置である。近傍の太陽のような恒星のおよそ半分は実は単独ではなく、一つ以上の伴星を持つ連星系に存在している。複数の星がもたらす複雑な重力環境は、その周囲にある惑星の軌道を大きく複雑にし、惑星発見の難度を著しく高めてきた。

従来、天文学者は主に三つの手法で太陽系外惑星を探索してきた。一つはケプラー宇宙望遠鏡やTESSが用いるトランジット法で、惑星が恒星の前を横切る際の明るさの減光を観察する極めて効果的な手法だが、惑星の軌道が地球と同じ平面上に配置される必要がある。二つは地上観測による視線速度法で、惑星が恒星に及ぼす「ふらつき」を検出する。しかし地球のような惑星が太陽型恒星に及ぼす引力は秒速約9センチメートルに過ぎず、恒星表面の活動ノイズが秒速約50センチメートルであるため地球アナログの探索には不適である。三つめのアストロメトリー（位置測定法）は星の正確な位置を背景の星々に対して測定するが、33光年離れた星を周回する地球ツインの位置ズレはわずか0.3マイクロアーク秒であり、現在最高精度のガイア衛星でも約100マイクロアーク秒の精度しかなく、必要とされる精度に数桁及ばない。

NASAが検討する小規模探査機「SHERA（相対アストロメトリーによるハビタブル太陽系外惑星探査）」は、こうした課題に革新的なアプローチを提案している。鍵となるのは単独の星ではなく、明るく密接した連星のペアに焦点を当てることだ。連星は重力で結びついているため背景の星々に対する共通の参照点として機能し、背景星がもたらす「ノイズ」を排除できる。この相対位置測定により背景エラーをキャンセルし、大規模な光学的歪みも補正される。連星の片方が惑星を持つなら、その惑星は連星間の相対距離に周期的な変化をもたらし、これがSHERAの検出対象である。

この超微細な変化を捉えるために、SHERAは半導体製造に似た電子ビーム・リソグラフィ技術を用い、22センチメートルの宇宙望遠鏡のミラーに複雑な位相パターン（回折瞳）を刻み込む。このパターンは光学的歪みと熱膨張を測定し、星光を複数のピクセルに分散させて検出器の微小な欠陥を平均化し、さらに太陽黒点などの恒星活動による信号を監視して補正する。SHERAは地球から17パーセク以内の7つの連星系を観測対象とし、標準的な検出率に基づく計算では約4つの小型ハビタブルゾーン惑星の発見が期待されている。

SHERAの真の価値は、より大規模で高額な「ハビタブル・ワールズ・オブザーバトリー」という将来の大型観測施設を支援することにある。SHERAが事前に惑星存在を確認することで、この高額な施設における観測時間を最大40パーセント削減できると予測されている。限られた観測枠を最大限に活用する、戦略的な設計といえる。

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