在太阳系附近发现了低日照的小型系外行星

1 .主讲人

福井晓彦(东京大学研究生院综合文化研究科附属先进科学研究机构特任助教) 木村真博(东京大学研究生院理学系研究科地球行星科学专业博士课程2年级) 平野照幸(自然科学研究机构天体生物学中心助教) 成田宪保(东京大学研究生院综合文化研究科广域科学专业附属先进科学研究机构教授)

2 .发表要点: ◆通过 TESS太空望远镜(注1 )和地面望远镜的合作，在太阳系附近发现了一颗大小为地球1.7倍的行星“TOI-2285b”。 ◆行星受到主星比较弱的日照，根据行星的组成，行星表面也有可能存在液态水。◆由于主星很明亮，今后可以调查行星的质量和大气组成。

3 .发表概要: 以东京大学和自然科学研究机构宇宙生物学中心的研究者为中心的研究小组通过系外行星搜索卫星TESS和地面望远镜的合作，在太阳系附近( 138光年外)发现了新的系外行星“TOI-2285b”。 这颗行星的大小(半径)约为地球的1.7倍，另外，受到的太阳辐射量约为地球从太阳那里受到的太阳辐射量的1.5倍，比迄今为止发现的系外行星的大部分都要弱的太阳辐射。 虽然行星被认为具有比地球稍高的环境，但如果行星内部具有H2O层，且具有以氢为主体的大气，则行星表面也有可能存在液态水。 由于主星明亮，可以进行详细的跟踪观测，今后通过调查行星的质量和大气组成，有望获得关于行星内部组成的更详细的信息。

4 .发表内容: 研究背景

 2009年~ 2018年活跃在美国航空航天局( NASA )的开普勒太空望远镜，通过过境法(注2 )发现了超过4000个系外行星。 其中，也包括许多期待生命存在的温暖小型系外行星(图1 )。 但是，由开普勒太空望远镜发现的行星系大部分位于距离太阳系500光年以上的地方，主星较暗，难以获得行星质量和大气组成等详细信息。 因此，现在相当于开普勒太空望远镜后继机的TESS太空望远镜，以全天明亮的恒星为对象进行系外行星的搜索。 在TESS探索中发现的明亮恒星周围的行星，通过之后的追踪观测，有望获得行星的质量和大气组成等详细信息。 另一方面，由于分辨率和观测期间等的制约，光靠TESS的观测只能发现作为行星“候补”的天体。 因此，为了发现真正的行星，需要利用地面望远镜详细观测所发现的行星的候补天体，进行真伪的验证。 因此，目前，以东京大学及自然科学研究机构天体生物学中心的研究者为中心的研究小组，研究了国内外口径2米级的3台望远镜上搭载的多色摄像装置MuSCAT系列(注3 )、 以及夏威夷口径8.2m昴望远镜搭载的红外多普勒观测装置IRD (注4 )等，全力进行TESS搜索中发现的候选行星天体的验证观测(图2 )。

研究成果 此次，研究小组从进行验证观测的候补行星中发现了绕太阳系较近( 138光年以外)的恒星公转的行星“TOI-2285b”。 TOI-2285b的半径约为地球的1.7倍，比较小，围绕低温(摄氏3200度)的恒星以约27天的周期公转。 为了验证在TESS中发现的候补行星天体是否是真正的行星，在多个波长下观测过境非常重要。 但是，由于TOI-2285b的过境只在27日发生一次，因此能够在好条件(夜间且晴朗的天气)下从地面进行观测的机会非常有限。 研究小组开发了3台可以在多个波长同时观测过境的MuSCAT系列，并配置在国内外3台望远镜上，因此，领先于世界确认了TOI-2285b是行星。 另外，通过使用世界屈指可数的可以精密测量行星质量的红外多普勒观测装置IRD，成功得到了行星质量的上限值(地球质量的1.9倍)。 虽然TOI-2285b和主星的距离只有地球和太阳的距离的约1/7左右，但由于主星的温度很低，行星从主星受到的日照量估计为地球从太阳受到的日照量的约1.5倍。 虽然这种太阳辐射量比以前发现的其他许多系外行星要平稳，但如果行星是和地球一样只有稀薄大气的岩石行星，其强度也会很强，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侧存在H2O层，并且其外侧被以氢为主体的大气复盖的话(注5 )，H2O层的一部分有可能作为液体稳定地存在。 这次，研究小组在假设这样的内部组成的基础上进行了TOI-2285b内部的温度和压力的模拟，发现行星表层确实有可能存在液态水(海) (图3 )。

研究成果 此次，研究小组从进行验证观测的候补行星中发现了绕太阳系较近( 138光年以外)的恒星公转的行星“TOI-2285b”。 TOI-2285b的半径约为地球的1.7倍，比较小，围绕低温(摄氏3200度)的恒星以约27天的周期公转。 为了验证在TESS中发现的候补行星天体是否是真正的行星，在多个波长下观测过境非常重要。 但是，由于TOI-2285b的过境只在27日发生一次，因此能够在好条件(夜间且晴朗的天气)下从地面进行观测的机会非常有限。 研究小组开发了3台可以在多个波长同时观测过境的MuSCAT系列，并配置在国内外3台望远镜上，因此，领先于世界确认了TOI-2285b是行星。 另外，通过使用世界屈指可数的可以精密测量行星质量的红外多普勒观测装置IRD，成功得到了行星质量的上限值(地球质量的1.9倍)。 虽然TOI-2285b和主星的距离只有地球和太阳的距离的约1/7左右，但由于主星的温度很低，行星从主星受到的日照量估计为地球从太阳受到的日照量的约1.5倍。 虽然这种太阳辐射量比以前发现的其他许多系外行星要平稳，但如果行星是和地球一样只有稀薄大气的岩石行星，其强度也会很强，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侧存在H2O层，并且其外侧被以氢为主体的大气复盖的话(注5 )，H2O层的一部分有可能作为液体稳定地存在。 这次，研究小组在假设这样的内部组成的基础上进行了TOI-2285b内部的温度和压力的模拟，发现行星表层确实有可能存在液态水(海) (图3 )。

今后的展望 今后，为了调查TOI-2285b的表层实际上是否存在液态水，首先正确测量行星的质量，并与已经明确的行星半径和日照量的信息相结合，来制约行星的内部组成变得很重要。 为了测量行星的质量，主星必须足够明亮，但TOI-2285b在太阳系附近的恒星公转，通过红外线看起来很明亮，因此使用安装在IRD等大型望远镜上的红外多普勒观测装置，可以实际测量质量。 在这次的研究中，关于行星的质量还只得到上限值，但通过今后的进一步观测，可以期待测量行星的正确质量，更接近行星的内部组成。 另外，通过2021年12月即将发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜( JWST )等新一代望远镜，对行星的大气组成进行调查，发现大气中有水等有望查明其他分子是否存在。 TOI-2285b的发现，也可以说是迈向未来系外行星“寻找生命痕迹”的重要一步。 今后，通过新一代大型太空望远镜和地面巨大望远镜，探索温暖系外行星大气中水和氧等生命痕迹分子的研究将成为可能。 另一方面，为了获得生命痕迹的确凿证据，光观测1颗或2颗行星是不够的，观测尽可能多的行星被认为是重要的。 但是，目前作为观测对象仍有希望的行星(在太阳系附近，小型且温暖的行星)的数量非常有限(图1 )。 TOI-2285b即使行星表层存在液态水，其环境(地壳的有无、大气组成、气候等)也可能与地球有很大不同，但目前仍可以说是有望成为寻找生命痕迹的行星候补之一。 由于TESS计划至少在2022年之前继续探索，因此与此次相同，通过与地面望远镜的合作，有望今后进一步增加与TOI-2285b同等或更有前景的行星数量。 本研究成果于2021年12月6日刊登在了日本学术杂志《日本全国广播公司》的在线版上。 本研究由科研费新学术领域计划研究“行星大气的形成·进化及其多样性的阐明”(研究代表者:生驹大洋，课题编号: JP18H05439 )、 科学技术振兴机构( JST )战略性创造研究推进事业先驱研究领域“基于测量技术和高度信息处理融合的智能测量分析方法的开发和应用”中的研究课题“基于多色同时拍摄观测和高精度分析的第二地球们的探测”(研究者:成田宪保，课题编号: JPMJPR1775 )、 科研经费基础研究b“太阳系附近小型过境系外行星的发现和大气的系统调查”(研究代表:福井晓彦，课题编号JP17H04574 )、大学共同利用机构法人自然科学研究机构天体生物学中心的项目“在TESS中发现的生命可居住行星候补的发现和特征。

5 .发表杂志: 杂志名称:Publications of the Astronomical Society of Japan(网络版: 12月6日) 论文标题: 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编号: 10.1093/pasj/psab106

6 .咨询处: <有关研究的事情> 东京大学研究生院综合文化研究科附属先进科学研究机构特任助教福井晓彦 电子邮件: a Fukui g.ECC.u-Tokyo.AC.JP 东京大学研究生院综合文化研究科广域科学专业附属先进科学研究机构教授成田宪保 E-mail：narita[at]g.ecc.u-tokyo.ac.jp <宣传相关的事情> 东京大学教养学部等总务科宣传信息企划小组 03-5454-6306 科学技术振兴机构宣传科 03-5214-8404传真: [phone] E-mail：narita[at]g.ecc.u-tokyo.ac.jp <关于JST事业的事情> 科学技术振兴机构战略研究推进部绿色创新集团嶋林优子 03-3512-3526传真: [phone]Email: presto[at]jst.go.jp

7 .用语解说: (注1 )正式名称为transiting exo planet survey satellite。 2018年发射，使用渡越法(注2 )进行了绕全天明亮恒星的行星探索。 目前探索还将继续到2022年。 (注2 )捕捉行星通过主星跟前(过境)时观测到的主星周期性减光的方法。 用该方法可以求出行星的半径和公转周期。 (注3 )设置在冈山县的188cm望远镜、西班牙特内里费岛口径1.52m的望远镜和美利坚合众国毛伊岛口径2m的望远镜上的、可以在可见光区域的3个或4个波段同时进行过境观测的装置(装置名称分别为MuSCAT、MuSCAT 本研究利用MuSCAT2和MuSCAT3确认了在TESS中观测到的过境信号。 (注4 )可使用多普勒法高精度测量行星质量的红外线分光装置。 本研究通过得到质量的上限值，确认了进行过境的天体不是恒星，而是行星(质量是木星的13倍以下)。 (注5 )根据行星的形成理论预测行星内部H2O层的存在。 另一方面，关于以氢为主体的大气，认为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电磁波( x射线和紫外线)剥离。

8 .附件:

图1 :迄今为止发现的系外行星中，半径为地球两倍以下的行星距地球的距离(横轴)和从主星受到的日照量(纵轴)的分布。 圆圈、星星和三角符号分别表示开普勒太空望远镜、TESS太空望远镜和地面望远镜发现的行星。 图标的颜色表示主星在近红外线下的亮度( j等级)，越接近黄色越明亮。 这次发现的TOI-2285b (大星号)，是所绘行星中主星第四亮的。 (信用:东京大学)

图2 :为发现2:TOI-2285b做出贡献的观测装置。 从上至下开始依次为西班牙特内里费岛的1.52m米望远镜搭载的MuSCAT2、美利坚合众国毛伊岛的2米望远镜搭载的MuSCAT3、 美国夏威夷岛昴望远镜搭载的IRD。 (信用: muscat 2，3为东京大学，IRD为天体生物学中心)

图3 :想象着具有氢气大气和海洋的系外行星的插图。 (信用:海狼/SASAMI-GEO-SCIENCE，inc.)