中国は太陽系外惑星探査の新時代を開くため「地球2.0」を模索している

執筆：記者 段然（インターン） 編集：丁林

ニューメディア編集者/李雲鋒

専門家へのインタビュー

顧 聖紅（中国科学院雲南天文台主​​任研究員）

広大な宇宙の中で、人間だけが知的な生き物なのでしょうか?私たちが生きていくために頼っている家は孤独な存在なのでしょうか？これらの哲学的な疑問は、おそらく人類が初めて星空を見上げたときに生まれ、宇宙を探求したいという将来の世代の願望と熱意を刺激し続けています。

何千年にもわたる科学的知識の蓄積、理論体系の構築、概念の反復的な更新を経て、私たちの宇宙に対する理解は前例のないレベルに達しました。特に過去 20 年間、天文学界による太陽系外惑星の探査は、広大な宇宙で私たちが孤独ではないかもしれないことを人類に継続的に示してきました。

最近、英国の雑誌「ネイチャー」が中国の「アース2.0」計画を明らかにした。このプロジェクトは中国科学院上海天文台によって開始された。中国は今後5年以内に新たな探査衛星を宇宙に打ち上げ、広大な深宇宙にある太陽系外惑星の詳細な「惑星調査」を実施する計画で、人類の地球外故郷の探査に中国の力を発揮することになる。

▲ケプラー宇宙望遠鏡は天の川銀河の白鳥座・こと座方向に向け観測中（写真の四角はそれぞれ225万画素のCCDセンサーを表す）。我が国の「アース2.0」プロジェクトは、同じ地域をさらに詳しく探査する計画だ（NASAのオリジナル画像）

これまでに公開された情報から判断すると、「アース2.0」は確かに野心的な計画であり、国際的な太陽系外惑星探査の先進レベルに追いつくだけでなく、ケプラーなどの先進的な宇宙太陽系外惑星探査プロジェクトで明らかになった問題や欠点に対する中国版の改善計画を提案する必要がある。

中国科学院雲南天文台の主任研究員で、長年太陽系外惑星系の研究に携わり、多くの関連する国家科学研究プロジェクトを統括してきた顧勝紅氏は記者団に次のように語った。「『アース2.0』プロジェクトは非常にエキサイティングです。ケプラー計画の最初の4年間のデータ遺産を引き継いでいます。独自の設計により、さらに4年間の観測が可能で、8年間のデータをカバーすることができ、太陽系外惑星の検出能力が大幅に向上します。」

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太陽系外惑星：これからの長い道のり

名前が示すように、太陽系外惑星とは、太陽系の外側に位置し、他の恒星を周回する惑星を指します。科学者の大まかな推定によれば、天の川銀河系だけでも少なくとも4000億個の太陽系外惑星があり、そのうち170億個は地球に似た岩石惑星である。これほど多くの太陽系外惑星の中には、「ハビタブルゾーン」を周回し、生命を育むのに適した「もう一つの地球」が存在すると考えられる根拠がある。

惑星が「もう一つの地球」と呼ばれるためには、比較的厳しい条件を満たす必要がある。顧聖紅氏は記者団に次のように説明した。「第一に、太陽系の主星が太陽であるように、太陽系外惑星の主星も太陽のような恒星でなければならない。第二に、その惑星は惑星系の居住可能領域内にある必要がある。つまり、液体の水の存在を保証するためには、惑星は主星から一定の距離にある必要がある。第三に、その惑星は地球と同様の岩石質の固体表面を持っている必要がある。これらの条件が満たされて初めて、地球のような生命が存在することができる。」

人類の惑星に対する理解は長い探究の道のりを経てきました。太陽系の惑星の観測以来、現代の天体力学は天文学者を導き、惑星の境界を継続的に拡大してきました。18世紀には土星の軌道を太陽系の境界とみなし、2006年には冥王星を惑星のリストから外しました。人類は「すぐ近くにある」これらの惑星を理解するためだけに、何百年もの努力を費やしてきました。太陽系外惑星の探査で直面する技術的な困難は比較にならないほど大きい。

▲天の川を上から見た図。黄色い矢印は太陽系から白鳥座の方向を指しています（Sky & Telescope のオリジナル画像）

わずか 20 年前まで、太陽系の外に惑星系が存在するかどうかという疑問は、科学者の間ではまだ推測の域を出ませんでした。惑星自体は光を発せず、その体積は主星の体積よりもはるかに小さいため、光年単位で測定される空間スケールでは、星の光に隠された惑星の「星の痕跡」を見つけることは極めて困難です。それらを探す作業は、最高の天文学者でさえも困惑させています。

1980 年代まで、天文学者はいくつかの恒星の周囲に見られる塵の雲を通じて、太陽系外惑星が存在する可能性を間接的に推測することしかできませんでした。 1992年、天文学者は太陽系外初の惑星を発見しました。地球から980光年離れたパルサーを周回する2つの巨大ガス惑星です。高速で回転するパルサーを親星としているため、この2つの惑星が存在する過酷な環境は想像に難くないが、今回の発見により人類による太陽系外惑星探査への道が開かれた。

▲人類による太陽系外惑星探査の歴史は長くない（欧州宇宙機関のオリジナル画像）

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ノーベル賞を受賞した「線速度法」

太陽系外惑星の大部分は私たちからあまりにも遠く離れており、広大な星の海を通してこれらの自発光天体を検出することがいかに難しいかは想像に難くありません。そのため、現在、天文学者は太陽系外惑星の探索に主に間接的な検出方法、つまり明るい恒星を分析することで、その恒星に惑星系があるかどうかの結論を間接的に導き出しています。現在使用されているさまざまな間接検出方法の中で、「視線速度法」と「トランジット法」が最も一般的です。

「視線速度法」（視線速度法またはドップラー分光法とも呼ばれる）の基本原理は、惑星が恒星の周りを動くと、恒星は惑星の弱い重力の影響を受け、小さな周期的な振動を生み出すというものです。天文学者は恒星のスペクトルのドップラー効果を観測することでこの周期的な振動を検出して捉え、恒星の近くに惑星系が存在することを間接的に推測することができます。

▲太陽系外惑星の重力により恒星はわずかに振動するため、地球上では恒星のスペクトルの周期的な赤方偏移と青方偏移を観測できる（画像提供：惑星協会）

1995年、スイスの天文学者ミシェル・マイヨールとディディエ・ケローは、高精度分光計と「視線速度法」を使用して、ペガスス座51番星の近くにあるガス惑星51ペガススbを発見しました。人類が主系列星（太陽を含む恒星の一種）を周回する太陽系外惑星を発見したのはこれが初めてで、この発見により2人は2019年のノーベル物理学賞も受賞した。

ペガスス座51番星bの発見以来、視線速度法は太陽系外惑星の検出と発見に広く使われるようになりました。しかし、この測定方法にも明らかな欠点があります。この方法が適用できる惑星は軌道傾斜角の制約を受け、観測された惑星の質量に大きな誤差が生じる可能性があります。この方法では、一部の巨大な惑星しか正確に検出できないため、惑星の検出範囲が大幅に制限されます。そこで近年の惑星探査活動では、「トランジット法」という別の方式が徐々に注目されるようになりました。

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ケプラーミッション：空の「燃える目」

いわゆる「トランジット法」（トランジット法とも呼ばれる）は、惑星が主星を通過するときに起こるトランジット現象によって生じる恒星の明るさの周期的な変化を利用して、惑星系の存在を判定する方法です。視線速度法と比較すると、トランジット法では安定した観測条件に対する要件がより高くなります。したがって、「トランジット法」を好む科学者にとっては、宇宙望遠鏡を宇宙軌道に打ち上げることが唯一の選択肢です。

▲太陽系外惑星が恒星の周りを回ると、惑星の影響で恒星の明るさが周期的に変化します（画像提供：天文学雑誌）

2009年、NASAはケプラー宇宙望遠鏡を計画通り太陽の周りを回る軌道に打ち上げました。これは太陽系外惑星探査の歴史において画期的なプロジェクトです。ケプラーには、直径0.95メートル、質量1トンを超えるシュミット望遠鏡が搭載されています。白鳥座と琴座の領域を検出エリアとしてターゲットとします。

ケプラー望遠鏡は運用中に「トランジット法」を使用して、既知の太陽系外惑星の数を増やしました。ケプラー計画は、プロジェクトが終了した2018年時点で、2,325個もの太陽系外惑星を発見した（今年4月27日時点で、合計5,014個の太陽系外惑星が確認されている）。

▲今年現在、天文学者は5,000個以上の太陽系外惑星を確認している（NASAのオリジナル画像）

ケプラー計画は、人類の地球外宇宙に対する視野を大きく広げただけでなく、「惑星」という概念に対する天文学界の理解を一新しました。ケプラー計画によって提供されたさまざまなデータの助けを借りて、天文学者は、2つの恒星を周回する惑星や、4重恒星系を周回する惑星など、従来の天体物理学の知識と矛盾する多くの現象を発見しました。

これらの奇妙な現象に関して、天文学者のマイケル・サマーズは著書『太陽系外惑星』の中で、オオカバマダラを比喩的に地球を表すものとして用いています。人々が人生でオオカバマダラしか見たことがないと仮定すると、オオカバマダラの特性は蝶の特性と同等であると自然に想定するでしょう。他の特徴を持つ蝶に遭遇すると、認知的ショックを受け、自分の本来の考えを再検討しなければならなくなります。

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王樹を発見：我が国の太陽系外惑星探査の旅

近年、米国の地上および宇宙ベースの惑星観測システムは繁栄している。それに比べると、我が国の太陽系外惑星探査の分野における全体的なスタートは比較的遅かったと言えます。

検出器技術と観測データ処理精度の欠陥により、我が国の太陽系外惑星探査に使用される研究サンプルは、常に外国の検出器によって公開された観測データに大きく依存してきました。この状況は2008年まで何年も続いたが、この年に中国は太陽系外惑星の探査で「ゼロブレークスルー」を達成した。中国科学院国立天文台の研究者、劉玉娟と趙剛が率いるチームが、国立天文台興隆ステーションの2.16メートル望遠鏡と日本の岡山天文台の1.88メートル望遠鏡を使用して視線速度法でこと座の方向にある惑星を発見したのだ。これは、地球から440光年離れた赤色巨星を周回するガス惑星で、質量は木星の2.7倍です。

▲この太陽系外惑星（HD173416 b）はこと座の方向に位置しています。画像内の密集した緑色の点のマトリックスは、ケプラー望遠鏡の視野です（画像提供：京都大学）

この惑星は生命が生存できる環境条件を備えていないものの、中国の天文学者によって発見された最初の太陽系外惑星として、我が国の宇宙探査における重要な節目となった。

当初、天文学者たちはこの惑星に「HD173416 b」という単調なコードしか与えていなかった。しかし、発見から10年以上が経ち、より「中国色」が増した。 2019年、国際天文学連合（IAU）が主催する「太陽系外惑星の命名」という地球規模の活動プロジェクトがスタートしました。このプロジェクトでは、国ごとに名前の付いていない太陽系外惑星112個を割り当て、割り当てられた各国はこれらの惑星に正式な名前を付けるための指名および投票活動を行う予定です。

HD173416 bは発見者である中国に割り当てられました。一時期、太陽系外惑星に名前を付ける活動は国内の天文界や愛好家の間で大流行し、全国から命名案が雪片のように審査専門家の手に舞い込んできた。最終的に、専門家による複数回のレビューとオンライン投票を経て、この太陽系外惑星とその親星にはそれぞれ「王舒」と「西河」という詩的な神話の名前が与えられ、中国の伝統文化を非常によく表す形で宇宙探査の歴史に記録されました。

▲2019年12月、「西和」と「王樹」に命名した当時の広州第六中学校天文クラブ会長、徐一鵬氏が北京天文館で命名秘話を紹介（写真提供：人民日報クライアント）

同年、我が国の太陽系外惑星探査は再び画期的な進歩を遂げました。南京大学の張慧氏と周吉林氏の研究チームは、中国が南極の崑崙基地に建設した「南極探査望遠鏡アレイ」（AST3）の助けを借りて、「トランジット法」を用いて合計222個の太陽系外惑星候補を検出し、そのうち116個が信頼性の高い候補だったと発表した。我が国が独自の観測機器を使って太陽系外惑星候補を一括して発見したのは今回が初めてです。こうした多数の発見は、人類の域外探査における惑星サンプルライブラリを大幅に充実させただけでなく、太陽系外惑星の分野における我が国の発言力も高めました。

現時点では、我が国の太陽系外惑星探査と欧米先進国の探査との間には依然として大きな隔たりがあります。顧勝紅氏は、このギャップは主に2つの側面で現れると考えています。まず、発見され確認された太陽系外惑星の数が少なすぎます。現時点では、我が国が確認している太陽系外惑星は合計で20個未満です。第二に、大型の光学望遠鏡が不足しているため、発見された太陽系外惑星に関する研究は十分に行われていません。

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地球 2.0: ケプラーの肩の上に立つ

現在、我が国の天文学界は太陽系外惑星の研究を進めるために主に地上の機器に依存しています。しかし、地上から星空を見上げる場合、大気中の複雑な気候条件により、視野や観測精度は大きく制限されます。今後、外国の宇宙探知手段への依存から脱却するためには、我が国独自の「目と耳」を宇宙に展開し、探査の視野を宇宙空間にまで広げていく必要がある。計画されている「Earth 2.0」プロジェクトは、この実際的なニーズから生まれたものです。

また、トランジット観測方法自体の欠点も観測結果に影響を与えます。顧勝紅氏は記者団に対し、次のように説明した。「トランジット観測には比較的長い期間が必要であり、ケプラー自体の運用期間は比較的短いため、トランジット観測のためのウィンドウ期間が不十分となっている。」さらに、トランジット現象自体の発生確率は低く、生成される信号も非常に弱いため、ケプラーの観測結果には大きな制限がありました。

▲地球から約25光年離れたフォルマラグb（別名「ダゴン」）は、画像によって直接確認された最も古い太陽系外惑星の1つです。しかし、最近の証拠はそれが単なる塵の雲である可能性を示唆している（クレジット：NASA）

ケプラー計画は目覚ましい成果を上げましたが、残念ながら、ミッションの最後まで、生命の生存に適した地球に似た別の惑星を見つけるというミッションの中心的な目標は達成されませんでした。これはケプラー望遠鏡のハードウェアの欠陥と密接に関係しています。たとえば、望遠鏡自体の視野が狭すぎたり、機器のノイズが高すぎたりします。

太陽系外宇宙探査プロジェクトの莫大なコストとNASAの予算不足の影響により、ケプラー計画は最終的にSpaceXが契約したトランジット系外惑星探査衛星（TESS）プロジェクトに引き継がれました。シュミット望遠鏡のみを搭載したケプラー探査機に比べ、TESS探査機は4つの広角望遠鏡を搭載しており、ケプラー望遠鏡よりも広い観測視野を実現しています。

▲TESS宇宙探査機の想像図（画像提供：NASA）

我が国の「アース2.0」プロジェクトでは、将来国産となる探査機に最大7台の望遠鏡を搭載し、「トランジット法」と「マイクロレンズ法」を前例のない方法で組み合わせて太陽系外惑星の包括的な「調査」を行うことが予定されています。このうち口径30センチ、観測視野500平方度の望遠鏡6台は「トランジット方式」で観測し、検出領域も白鳥座からこと座にかけての領域に固定される。しかし、ケプラーやTESSなどの「前身」と比較すると、検出深度と鮮明度は大幅に向上します。もう 1 つの 4 平方度の望遠鏡は、新しいマイクロレンズ観測法を使用して、天の川銀河の中心部に検出角度を向け、主星の惑星系から離れた「さまよう惑星」を検出して撮影します。

「Earth 2.0」チームのリーダーは、中国科学院上海天文台の研究員、葛建氏です。 2006年、フロリダ大学天文学部で教鞭をとっていた彼は、研究チームを率いて100光年離れたガス状の太陽系外惑星を発見した。 2018年、彼はフロリダ大学の「ダルマ太陽系外惑星調査」プロジェクトを率いて、エリダヌス座40度を周回する16光年離れた巨大な地球型惑星を発見することに成功した。

2020年、葛健は中国に戻り、上海天文台に加わった。彼が担当する「アース2.0」プロジェクトには、国内外の30以上の大学や研究機関から200人以上の天文学者が集まった。今後、このプロジェクトで得られた観測データも世界的に共有される予定だ。中国の「地球2.0」は最初から国境を越え、人類の宇宙探査のプロセスを促進するために生まれたのだ。

計画によると、「アース2.0」は2026年末までに衛星の建造と打ち上げを完了し、翌年夏に科学観測を開始する予定。科学者たちは、このプロジェクトが観測ミッションのサイクル（4年間）を完了すると、5,000個の太陽系外惑星が発見され、その中に生命にとって真に適した惑星が見つかると予想している。国の強力な支援と天文学界の一致団結した努力により、「アース2.0」プロジェクトは太陽系外惑星の探査において中国の輝かしい足跡を残すことが期待されている。

制作：サイエンス・セントラル・キッチン

制作：北京科学技術ニュース |北京科学技術メディア

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