5_191 系外惑星の多様性 6：鉄の含有量

　系外の恒星の化学組成と惑星の質量と半径の観測値から、いくつかの仮説から、個々の惑星の鉄の含有量が推定されました。系外惑星の鉄の含有量に、相関関係とギャップが見えてきました。

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　系外の恒星の組成と惑星の質量と半径の観測データがそろいました。そこから惑星の化学組成を推定していくことになります。
　惑星の質量と半径がわかっているので、平均密度が計算できます。太陽系の惑星を参考にして、平均密度から内部がどのような物質が分布しているかを、構造モデルを作成していきます。
　同じ分子雲コアから形成された恒星と惑星は、似た化学組成、もしくは化学組成になんらかの相関があると考えられます。私たちの太陽系では、太陽と惑星の化学組成で、ケイ素、鉄、マグネシウムなどが相関があることがわかっています。これらの元素は、岩石惑星の主成分となっています。
　これら2つの情報、惑星の構造モデルと恒星と惑星の鉄の化学組成の相関関係から、惑星の主成分となる鉄の含有量を見積もっていきます。
　次に、その結果を考察されています。恒星の鉄の含有量が近いもの同士で、系外惑星の特徴を比べていくと、恒星の鉄含有量と、系外惑星の鉄含有率には相関（傾き4程度）があることがわかりました。ただし、推定された鉄の含有量には、多様性があることがわかってきました。つまり、同じ鉄の含有量の恒星でも、惑星の鉄の含有量には幅があり、多様であることがわかりました。
　また、鉄の含有量の多い恒星には、少ない恒星との相関を越えてかなり鉄の含有量が多い惑星も存在していることがわかってきました。鉄の含有量は、連続することなく、鉄の多いものへとジャンプするようなギャップがありました。
　以上ことから、恒星の組成が似ていても、惑星の鉄の含有量には多様性があること、そして特別に鉄が多い惑星もあることがわかってきました。鉄の含有量で系外惑星をみると、非常に多様性があることがわかってきところになります。
　しかし、このような多様性は私たちの太陽系にありました。これについては、次回としましょう。

・豪雪・
わが町や札幌は豪雪が続いて積雪が多く、
除雪、排雪が間に合っていません。
道の脇には除雪された雪がうず高くなり、
道幅も半分以下になってきました。
車がすれ違えないところもあり、
深い雪の轍で埋もれるような道もありました。
幹線道路がかろうじて排雪はなされてきましたが、
公共のバスも2週間ほど運休の路線もあります。
これまで雪が少なかったので
突然の豪雪で対処しきれないようです。

・自粛・
家内は、豪雪なので買い物も最低限にしています。
また、できるだけ食料も備蓄するようにしています。
そこにオミクロン株です。
札幌だけでなく、わが町、わが大学でも
感染が広まっています。
コロナでの自粛も重なります。
またまた不自由な生活が続きそうです。

5_190 系外惑星の多様性 5：恒星と惑星の化学的相関

　恒星とその系外惑星の観測された情報から、惑星の特徴を考えていく方法が提案されました。いくつかのモデルをおいていますが。直接の観測データから考えている点が重要です。

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　これまでのシリーズでは、白色矮星の化学組成から、その周囲にあった惑星の化学組成のうち、体積が多く化学組成を反映しやすいマントルを、間接的に探った結果を紹介しました。その結果より、太陽系の地球のマントルのような組成の岩石は珍しいものでした。
　このシリーズでは、もうひとつ直接調べた論文があり、それも一緒に紹介していくことにしていました。2021年10月15日のScience誌に多数の著者（20名）によって
A compositional link between rocky exoplanets and their host stars
（岩石系外惑星と恒星との間の化学的相関）
という報告がされていました。次に、これを紹介していきましょう。
　ハワイのすばる望遠鏡やチリ、カナリア諸島などの世界各地の望遠鏡を用いて観測されたデータを分析した結果です。太陽系外の恒星と惑星の化学組成に関係があるという報告でした。
　とはいっても、直接、系外惑星の化学組成を調べることは未だにできていません。では、どうして調べていくのでしょうか。
　恒星系は、分子雲コアという場で恒星も惑星も一緒に形成されていきます。回転する分子雲コアの中心に恒星が、その周囲の円盤状のところ（原始惑星系円盤と呼ばれています）に惑星ができていきます。惑星に使われなかった材料は恒星に落ちていき、ガスは吹きはらわれていくと考えられます。
　恒星も惑星も、もともとは同じ材料で形成されたはずです。形成環境や形成過程によって、それぞれ違いは生じたでしょうが、恒星と惑星の間には化学的に何らかの関係があったはずです。そのような化学的関係を前提にして考えていきます。
　今回研究には、系外惑星で岩石の表層をもっていると考えられ、観測が進んでいる21個の惑星が用いられました。観測でわかっているのは、恒星のスペクトル分析から推定された化学組成と、系外惑星で質量と半径です。これらの観測データのセットをもとに、いくつかの仮説（モデル）を立てて、系外惑星の化学的特徴を調べたという報告です。
　詳細は、次回以降としましょう。

・暴風雪・
大学入学共通テストが先週末にありました。
初日は、北海道では暴風雪でJRは運休だらけでした。
二日目も少し運休便がありましたが、
かなり復旧していました。
初日は、会場によっては、
繰り下げ開始や別室受験などの
対処がなされたところもありました。
一部支障がでましたが、北海道は
大雪に慣れていて、対処法もできているため、
なんとなったかと思います。
コロナ禍や津波警報、東大の事件の影響を
直接受けた受験生にとっては、
大きなストレスになったと思います。

・積雪量・
今年の北海道は地域によって違いがあるでしょうが
降雪量や総積雪量が例年になく多くなっています。
わが町の雪情報では、
過去5年平均の積雪量と比べて倍になっているとのことです。
道路も除雪による雪山が高くなり、
道幅も半分になっています。
そのため、車の通行だけでなく、歩行者も危険です。
雪の事故が多くなりそうです。
注意して外出しなければなりません。

5_189 系外惑星の多様性 4：形成と履歴の多様性

　系外惑星を構成していたマントルの岩石は、地球とは異なったものであることがわかってきました。そして、多数派であることも明らかになってきました。そこから見えてきたことは、地質学がより普遍性を求めていく必要性でした。

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　前回、白色矮星の化学的特徴の違いから、系外惑星のマントルの岩石としては、石英＋斜方輝石の組わせか、ペリクレース＋カンラン石の組み合わせになると想定されました。著者らは、このような岩石を、石英輝石岩（quartz pyroxenites）とペリクレイスダナイト（periclase dunites）という名称を提唱しています。
　いずれも、すでに知られている鉱物です。そして、稀ではありますが、地球にも存在している岩石です。しかし、マントルなどを構成する主要な岩石ではありません。地球では、カンラン石＋斜方輝石の組み合わせでした。似た鉱物からできていますが、系外惑星の方が、マグネシウムが多く、ケイ素が少いことを反映した鉱物組み合わせとなっています。
　このような組成の異なった惑星が形成されるのは、その恒星系の誕生時の履歴を反映している可能性があります。白色矮星に飲み込まれる惑星は、恒星の近くにあったものです。恒星近傍に、材料物質が集まる時、そこで起こる化学的分化に、太陽系とは、違っていたことを匂わせています。
　調べた23個の白色矮星の中で、地球に似たものが1つで、それ以外がすべて石英輝石岩かペリクレイスダナイトとなるようなマントルを持ったものになっていました。つまり、私の太陽系の惑星形成とは異なった形成プロセスが多数派、普遍的であり、地球が例外のようです。
　地球と異なったマントルの岩石があるということは、形成された惑星でも、地球とは異なった特徴や履歴を持つ可能性があります。
　著者の一人のPutirkaは、地球のマントルよりは多くの水を取り込めた可能性があり、その惑星の海洋の起源に影響を与えた可能性があると考えています。また、地球のマントルより低温で溶けやすくなるため、マグマが大量に形成され、厚い地殻をもっていた可能性もあると考えています。そうなると、プレートテクトニクスも異なった様相を呈することになりそうです。
　地質学、あるいは岩石学、火成論などは、地球をモデルにして、その仕組みを調べ、一般化してきました。その一般論を、他の惑星へと適用してきました。しかし、今回の系外惑星の多様性がわかってきたことで、どうもこれまでの地球でのモデルは、多様性の一つに過ぎないことになりそうです。

・大きな普遍性へ・
このエッセイの最後でも述べましたが、
今回の論文が示した可能性が、
もし多くの惑星系における典型だとすると、
地質学の立ち位置を考えなおさければなりません。
今回の石英輝石岩かペリクレイスダナイトは
地球も存在する岩石です。
根拠をもって、地球とは異なったマントルが推定されたのなら
その惑星は、どのような形成過程があるのか、
またできた惑星でどのような地殻形成やテクトニクスが働くのか、
などを考えていく必要がありそうです。
これは地質学において、より大きな普遍性を探っていく
チャンスかも知れませんね。

・排雪・
北海道は年末から年始にかけて、
繰り返された寒波の到来で
個々数年の冬よりは、積雪は多くなっています。
歩道と車道の間にうず高く積み上がった雪は
道路を横切る時、見通しが悪く危険です。
また、車道の幅も狭くなっており、
車の通行も細心の注意が必要です。
こんな時は、自治体による早目の排雪作業が必要です。
しかし、年ごとに雪の量は異なりますので、
経費のかかる作業で、
自治体としても悩ましい問題でしょうね。

5_188 系外惑星の多様性 3：特異なマントル

　白色矮星の化学的特徴から、もとの恒星の周りに存在していた、惑星の特徴を読み取ろう、という試みを紹介しています。その結果、どのような惑星であったのでしょうか。

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　これまで、白色矮星は、大陸地殻（花崗岩）を構成する元素を取り込んでいるのはないかという考えがありました。しかし、今回の研究で、花崗岩の痕跡を示す成分はみつかりませんでした。考えれば、地球全体で大陸地殻が占める割合は、核とマントルと比べると微々たるものです。ですから、地殻の痕跡が見つからないのはあたりめに思えます。岩石型惑星は、質量の比率からみると、マントルと核の成分が主となっているはずです。
　核は鉄を主成分としているので、その核とマントルの比率さえ推定できれば、核の影響は補正可能です。したがって白色矮星の化学組成の特徴から惑星のマントルの特徴を読み取ることが可能になります。
　その結果、白色矮星では、マグネシウムが多く、ケイ素が少くなっていることがわかりました。これは取り込んだ惑星の特徴を反映していると考えられます。
　地球のマントルはカンラン岩からできています。カンラン岩は、カンラン石（olivine）と輝石（斜方輝石 orthopyroxene）が造岩鉱物となります。カンラン石はマグネシウムとケイ素から、輝石はマグネシウムとケイ素、カルシウムからできています。両鉱物ではマグネシウムは鉄と置き換わることにがあります。両者の鉱物の化学組成は、珪酸と鉄＋マグネシウムの比率が異なっています。
　このような鉱物の特徴から、マグネシウムとカルシウム、ケイ素の比率を考えていくと、地球のマントル（カンラン岩）の特徴をもっているものは、23個のうち1つしか見つかりませんでした。多くは太陽系の惑星とは異なったマントルの特徴をもっていることがわかってきました。
　その特徴は、石英（quartz）と斜方輝石の組み合わせの岩石か、酸化マグネシウム（ペリクレース periclase）とカンラン石の組み合わせの岩石からなると考えられました。
　このような岩石をもった惑星は、太陽系には見つかっていません。非常に特異な惑星となります。では、そのようなカンラン岩からできたマントルともった惑星とは、どのようなものだったのでしょうか。次回としましょう。

・系外惑星への興味・
明けまして、おめでとうございます。
前回は、2021年最後のエッセイになるので、
コロナ禍の2年間を振り返るものにしました。
今回は、それまでシリーズで進めてきた
系外惑星の多様性の続きをお送りました。
天文学者も系外惑星への興味が高まっているようです。

・寒波・
北海道は、年末年始は、冬型の気圧配置が続き
寒波が繰り返し遅い、
大雪と交通の乱れが続きました。
次男も12月29日に帰省して1月3日に戻りました。
いずれも便に遅延がありましたが
ぎりぎり飛ぶことができてよかったです。
元旦は、千歳で多くの便で発着できず欠航となりました。
翌日以降の空席も埋まり全便満席となっていました。
寒波の厳しい年末年始となっています。

4_155 この2年の調査を振り返って

　このエッセイは6つテーマで構成され、そのうち4は「地球地学紀行」というテーマになっています。2020年2月からの2021年にかけては、COVID-19の感染拡大で、更新ができていませんでした。そんな2年間を振り返りました。

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　「地球地学紀行」は2019年10月31日に「4_153　2019年残念シリーズ 6：知床」（2019.10.31）を書いたのですが、2020年になるとCOVID-19の感染で、更新が滞りました。それでも、2020年の夏に感染がおさまりつつあるので、自然の中へでかけました。「4_154　支笏の森で昼食を」（2020.09.03）でその様子を紹介しました。しかし、2020年には野外調査には全く出られませんでした。
　2021年になると、感染状況と大学の危機管理レベルに合わせて、調査可能な時期を見極めて、数日ずつでかけました。研究目的で公式に出かけるためには、大学内にある危機管理委員会の事前許可が必要になるためです。
　大学の危機管理レベルは、今年度一杯は遠隔授業が基本となっていますが、対面が必要な授業は許可をもらっておこなえます。研究出張も認められています。しかし、北海道や札幌の警戒ステージが高くなると、すべて遠隔授業になり出張も停止になります。危機管理レベルも、試行錯誤しながら変更され、同じレベルであっても、少しずつ緩和する方向になっていました。
　現在、感染力の強いオミクロン株が、世界的な感染爆発を起こしています。日本では水際対策をしたのですが、甲斐なく国内での感染が広まりつつあります。感染爆発がいつ起こってもおかしくありません。頼みの綱のワクチンの3回目のブースター摂取も、年明け以降になりそうです。
　2020年度に学内の競争的研究資金では野外調査を中心に申請していましたが、遠隔授業と自粛に変更され、野外調査は全くできませんでした。2021年度の競争的研究費の申請では、感染を考慮して、感染爆発が起こっているときは別の研究品目して、感染がおさまっていれば道内の野外調査をするという2段備えにしていました。7月上旬まで緊急事態宣言ででれませんでしたが、7月に一旦解除されましたので、広尾から襟裳岬を周り静内を調査にいきました。しかし、また緊急事態宣言が秋まで出されました。しかし、やむおえない校務出張があったので、それに合わせて研究出張の許可をもらい、釧路から屈斜路、知床を調査しました。その後、緊急事態宣言が終わり、10月に道北と道南に、11月中旬にはまた校務出張が釧路にあったとので、一日私用として阿寒を訪れました。
　2年間のコロナ禍での自粛生活で、街にでたり外で買い物をしたいなどという気持ちが、大きく減衰しました。多くの人も、似た気分になっているのではないでしょうか。私の自粛生活では、常に研究中心に過ごしているので、変わらず生活でき、我慢することはありませんでした。しかし、野外調査に出かけられないのはな、なかりの痛手で苦痛でもありました。2021年は、何度が調査にでましたが、都合にいい時期に、行きたい場所に出かけられず、不満が残りました。
　来年度につても、競争的研究費の申請を考えなければなりません。オミクロン株の感染を考えたら、道内だけでの調査を考えたほうが無難でしょうか。まあ、来年になってから考えましょうか。
　来年こそは、よい年になりますように。

・強い気持ちで・
最近、年末のエッセイでは、1年を振り返っています。
2020年は野外調査ができず、
今年は野外調査ができましたが、
不自由な思いをしてでかけたの不満が残りました。
2022年もコロナ禍が続きそうです。
COVID-19には負けてはいません。
だからまだまだくじけるわけにはいません。
すべは心の持ちようです。
強い気持ちで対抗していきましょう。
来年こそはCOVID-19に打ち勝ちましょう。

・年末の寒波・
北海道は12月中旬から、何度か寒波が襲いました。
年末の寒波は強烈で、室内ではストーブを一日炊いていても、
温かい室内着を重ね着をしても寒い日がありました。
ストーブの火力を上げてしのぎました。
例年のことですが、年末前まで
大学にいつものように出て仕事します。
御用納めの翌日29日以降は、
大学の暖房は入っていますが、弱くされます。
寒いので昼間で大学で過ごすことする予定です。

5_187 系外惑星の多様性 2：白色矮星

　恒星の終末には、特別な現象が起こります。終末を迎えた星を調べることで、周りの惑星の特徴を読み取ることができそうです。系外惑星の化学的特徴を知る方法が考案されました。

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　系外惑星の化学組成について、直接調べる方法と間接的に調べる方法があり、それぞれ別の論文で報告されました。いずれも恒星の観測値から推測する方法です。系外惑星の化学組成を、観測値から直接推定するか、相関関係を用いて間接的に推定するかが異なっています。
　まず、直接に推定する方法からみていきましょう。ターゲットとする恒星は、白色矮星です。
　恒星が通常の核融合反応で輝いている状態（主系列星といいます）から、さらに進化していくと、終末に向かっていきます。恒星の終末には、恒星のサイズ（質量とも同じ）によって異なっていきます。大きな恒星は超新星爆発をして、中心部には中性子星かブラックホールができます。
　太陽のような小さい目の恒星は、ゆっくりと膨張しながら、温度が下がっていき、赤色巨星と呼ばれる星になっていきます。赤色巨星は膨張していき、その大きさは、地球など岩石惑星のある軌道よりも大きく膨らみます。膨らんだ中にある惑星は、赤色巨星に飲み込まれていきます。膨張がおさまると、外側にはガスの惑星状星雲が残り、中心部には白色矮星が残ります。
　白色矮星はもともと恒星であったので、水素とヘリウムを主成分としていますが、白色矮星から別の元素が観測で見つかることがあります。これはすでに知られていたことです。カルシウム、ケイ素、マグネシウム、鉄など岩石を構成していた成分も見つかっています。
　白色矮星のそれら元素組成は、主系列星で組成範囲から超えていました。このような元素は、赤色巨星が岩石惑星を飲み込んだ時に、白色矮星に取り込まれた成分が、検出されたのではないかと考えました。
　その仮説を検証するために、650光年以内にある白色矮星で、観測されていたデータ23個をもちいました。そこから恒星の周りの惑星の岩石や鉱物の組成を推定していきました。その結果、多様な岩石がありそうなことがわかってきました。
　その詳細は、次回としましょう。

・冷え込み・
北海道は先週末から
寒波の到来でかなりの積雪がありました。
積雪は苦でもはないのですが、
冷え込みがひどいです。
我が家は、1階と2階にそれぞれストーブがあるのですが、
いつもはひとつを夜も炊いているのですが
寒波のときは両方をつけていても
冷え込みが厳しく、室内が寒くかったです。
厳冬の冷え込みです。

・クリスマスでも・
大学は、25日（土）まで講義日になっています。
今週末はクリスマスですが、
関係なく講義はおこなわれています。
我が家は子どももいないので
何も特別なことはしません。
淡々と日常を過ごします。
我が家では、年末の暮と正月のほうが
いろいろ行事をおこないます。
次男の帰省する予定ですが、
雪による遅延や欠航もそうですが、
新型コロナのオミクロン株の感染も心配です。

5_186 系外惑星の多様性 1：2つのアプローチ

　系外惑星は遠くにあるため、それぞれの特徴を見分けるのが難しいです。小さいとさらに難しくなります。しかし、地球に似た岩石惑星の特徴を見分ける方法が2つも提案されました。

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　多数の系外惑星の発見とその多様性が報告される中、詳細な観測に基づく研究も進められています。系外惑星とは、太陽系外にある恒星を回る惑星を、地球、あるいは地球の周回軌道にある望遠鏡などで調べるものです。
　遠くにある恒星の周りの惑星の探査なので、大きな惑星、目立った惑星から見つかります。大きな惑星で恒星の近くを回るものが、多く発見されています。だからといって地球のような岩石惑星が少ないわけではありません。見つかりにくいだけで、存在しています。
　地球に似た惑星は、小さいため、通常の観測では調べにくい天体になります。しかし、地球に似たサイズの惑星も、いくつも発見されてきました。さらに、水が存在できそうな領域（ハビタブルゾーンと呼ばれます）に存在する惑星も、いくつか見つかってきました。
　さて今回、紹介するのは、系外惑星の化学組成に関する研究です。2つの異なった方法論でのアプローチですが、似た時期に報告されました。合わせて紹介していきましょう。
　ひとつは、Nature Communicationというオープンアクセスの雑誌に、2021年11月2日に紹介されたもので、
Polluted white dwarfs reveal exotic mantle rock types on exoplanets in our solar neighborhood
（汚染された白色矮星から太陽系近傍の系外惑星の異質なマントルの岩石タイプを解明）
というタイトルです。PutirkaとXuが著者となっています。これは、白色矮星という恒星が核融合を終えて死を迎えた天体を用いて、間接的に惑星の化学組成を調べる方法です。
　もうひとつは、Scienceという科学誌に2021年10月15日に掲載された
A compositional link between rocky exoplanets and their host stars
（岩石系外惑星と恒星との間の化学的相関）
という論文で、多数の著者（20名）による共同研究です。こちらは、ハワイのすばる望遠鏡など、地上にある天体望遠鏡で観測された系外惑星の内、実測された化学的なデータを用いています。それらの直接観測されたデータを用いて、惑星と恒星との化学的な関係があることを示しています。
　この2つの系外惑星の化学組成に関する話題を、シリーズで紹介していきましょう。

・大荒れ・
北海道は週初めは大荒れという予報でした。
札幌での積もったようですが、
わが町では、風は強かったですが、
少しの積雪で済みました。
しかし、層雲峡など、ところにより
激しい積雪となった地域もありました。
飛行機の欠航便もあったようです。
このままおさまればいいのですが。

・年末年始・
12月の我が大学の講義は、25日（土）までです。
大学だけでなく、公官庁では
クリスマスなどは祝日でもなく配慮もしません。
宗教儀式は、尊重するのでしょうが配慮しないようです。
「行政機関の休日に関する法律」があるそうで
年末年始（12/29-1/3）は休日と決められています。
明治時代にもそう決めた法律があるそうです。
我が大学も年末年始は休みとなります。
年の変わり目なので、いろいろな行事があるのでしょうが、
昔からそうだからという根拠は
少々不思議な気がしますね。