一般相対性理論は、近接した世界を弾き出したり破壊したりする軌道共鳴を引き起こすことによって、密集した連星の周りに惑星が存在しないことを説明するのに役立つ。このプロセスにより、検出可能な周回惑星の「砂漠」が自然に形成されます。
惑星のホストとして知られている 4,500 以上の恒星の中で、特に不可解な傾向が際立っています。ほぼすべての星は惑星とともに形成されると予想されており、大部分の星は対として生まれます。しかし、2つの星を同時に周回する惑星は驚くほど珍しい。
天文学者たちはこれまでに 6,000 個以上の太陽系外惑星、または太陽系外惑星を確認しており、そのほとんどの発見はNASAのケプラー宇宙望遠鏡とトランジット系外惑星探査衛星 (テス）。これらすべての世界のうち、連星の周りを回ることが知られているのは 14 個だけです。科学者が惑星形成について知っていることに基づくと、数百もの惑星が存在するはずです。タトゥイーンのような 2 つの太陽の世界の現実版はどこにあるのかという疑問は残ります。スター・ウォーズ?
天体物理学者カリフォルニア大学バークレー校とベイルート・アメリカン大学は、周回系系外惑星がほとんど発見されていない理由の説明を提案し、その重要な要因としてアインシュタインの一般相対性理論を挙げている。
軌道運動はどのようにして不安定になるのか
ほとんどの連星系では、2 つの星は質量が近いですが完全に等しいわけではなく、細長い楕円の軌道に沿って互いの周りを公転します。両方の恒星を周回する惑星は常に変化する重力を感じており、それによりその軌道は時間の経過とともにゆっくりと回転します。この緩やかな回転は軌道歳差運動として知られており、こまが回転するときにぐらつくのと似ています。
星自体も軌道歳差運動を経験しますが、その理由は異なります。彼らの場合、一般相対性理論が主要な役割を果たしています。時間が経つにつれて、2 つの星の間の潮汐力がそれらを近づけます。この締め付けは 2 つの重要な結果をもたらします。それは、星の軌道歳差運動が加速する一方で、惑星の歳差運動速度が遅くなるということです。これら 2 つの速度が等しくなると、共鳴相互作用が発生します。その時点で、惑星の軌道は劇的に伸び、ある時点でははるかに遠ざかり、別の時点では危険なほど接近します。
カリフォルニア大学バークレー校のミラー博士研究員で論文の筆頭著者であるモハマド・ファーハット氏は、「2つのことが起こり得る。惑星が連星に非常に接近し、潮汐の乱れや恒星の1つに飲み込まれるか、連星によって軌道が大きく乱れ、最終的には系外に排出されるかのどちらかだ」と述べた。 「どちらの場合でも、地球を取り除くことになります。」
生き残った惑星を見つけるのが難しい理由
このプロセスは、連星に惑星がまったく存在しないことを意味するわけではないとファーハット氏は強調した。その代わりに、長距離を周回する惑星だけが生き残ることができます。残念ながら、これらの遠い世界は、私たちの視点からは星の前を通過する可能性がはるかに低く、ケプラーやTESSが採用する通過方法を使用して検出するのは非常に困難です。
「惑星は確かに存在します。ただ、現在の機器で検出するのが難しいだけです」と共著者でベイルート・アメリカン大学の物理学教授、ジハード・トウマ氏は言う。
彼らは調査結果を次のように発表しました。の天体物理学ジャーナルレター.
周回惑星「砂漠」
ケプラーとTESSはどちらも、惑星が星の前を横切るときの星の明るさのわずかな低下を測定することによって系外惑星を探します。ケプラーはまた、ある星が他の星の前を周期的に通過する食連星系を約 3,000 個特定しました。太陽に似た恒星の約 10% には大きな惑星が存在するため、天文学者らは、同様の割合の連星系、つまり惑星を擁する連星系の数は約 300 個にもなると予想していました。その代わりに、研究者らはそのような星系で候補惑星を 47 個だけ特定し、確認されたのは 14 個だけでした。
これら 14 個の系外惑星はいずれも、約 7 日未満で相互に周回する密な連星の周りに発生しません。
「一般的に周回惑星は欠乏しており、公転周期が7日以下の連星の周囲には完全な砂漠がある」とファーハット氏は語った。 「日食連星の圧倒的多数は緊密連星であり、まさにその周りを通過する周連星が見つかると最も期待される星系です。」
不安定地帯と惑星形成の失敗
ファーハット氏によると、連星系は軌道が不安定な領域に囲まれており、そこでは惑星は生存できないという。これらのゾーン内では、2 つの星と惑星の間の複雑な重力相互作用により、惑星が系から弾き出されるか、惑星が星と合体するか星によって引き裂かれるまで内部に引き込まれます。興味深いことに、既知の周連惑星 14 個のうち 12 個が、この不安定な領域のすぐ外を周回しています。これは、不安定性の境界付近に惑星を構築するのは非常に困難であるため、惑星がより遠くで形成され、その後内側に移動したことを示唆しています。
「惑星は、小規模な微微粒子をくっつけることで、下から上に形成されます。しかし、不安定ゾーンの端に惑星を形成することは、ハリケーンの中で雪の結晶をくっつけようとするようなものです」と彼は言う。
ファーハットは以前、私たちの星系を含むさまざまな星系における惑星軌道の形成と進化に関してトーマと協力していた。しかし、当麻は連星ブラックホールや連星の軌道にも興味を持っていた。彼は 10 年前に、一般相対性理論によって惑星が二重星系の周りを移動する方法が変わるはずであることに気づきましたが、その効果が問題になるほど強いかどうかはわかりませんでした。しかし、系外惑星をさらに深く掘り下げた後、彼は、相対性理論による微妙な押し引きと、ゆっくりと螺旋を描きながら互いに接近していく星との組み合わせが、密接な連星の周囲で失われた惑星の謎を説明できるかもしれないと示唆した。
一般相対性理論が接近惑星を一掃する
ファーハットとトーマは、詳細な数学的計算とコンピューターシミュレーションを使用して、一般相対性理論が周回惑星の長期生存を劇的に変えることを示しました。彼らの結果は、相対論的効果により、密な連星を周回する惑星10個のうち約8個が破壊され、破壊された惑星の約75％が完全に破壊されることを示している。
アルバート・アインシュタインは 1915 年に一般相対性理論を導入し、重力を質量による時空の曲がりとして説明しました。身近な例は水星です。水星は他のどの惑星よりも太陽に近い軌道を公転しており、ニュートンの法則では説明できないほどの余分な軌道歳差運動を経験します。アインシュタインの理論はこの矛盾を正確に説明し、その初期の確証の 1 つを提供しました。
水星から連星まで
コンパクトな連星を含め、大質量の物体が互いに接近して軌道を周回する場合には、常に同じ物理学が当てはまります。これらの星はおそらく遠く離れたところから一生を始めますが、形成中の周囲のガスとの相互作用により、数千万年かけて徐々に近づけられる可能性があります。それらが近づくにつれて、潮汐力は数十億年にわたってその軌道を縮小し続けます。公転周期が約 1 週間以下に低下すると、相対論的歳差運動がますます重要になります。ペリアストロンとして知られる最接近点は、恒星が軌道を狭めるにつれてより速く回転し始めます。
周回星系外惑星また、この場合は 2 つの星の重力による引っ張りによる楕円軸の歳差運動も見られます。これは厳密にニュートン過程です。しかし、連星が互いに近づくにつれて、惑星の摂動は徐々に弱まり、歳差運動は遅くなります。
連星の軌道運動が増加し、系外惑星の運動が減少すると、ある時点でそれらは一致し、共鳴状態に入ります。この時点で、計算によると、系外惑星の軌道は伸び始め、軌道の極点では連星から遠ざかるが、ペリアストロンでは近づきます。ペリアストロンが不安定領域に入ると、系外惑星は系の遠くまで追放されるか、連星系に近づきすぎて飲み込まれるかのどちらかです。この混乱は星の数十億年の寿命のうち数千万年をかけて急速に起こるため、緊密な連星の周りにある系外惑星は非常にまれになります。
共鳴、排出、または破壊
「共鳴に巻き込まれた惑星は、その軌道がますます離心率が高く変形し、縮小していく連星の軌道と同調しながら歳差運動がますます速くなっていることがわかります」とトーマ氏は述べた。 「そして、ルート上で、連星の周囲の不安定ゾーンに遭遇します。そこで三体効果が発生し、重力によってゾーンが排除されます。」
「これらの緊密な連星、つまり7日未満の連星を形成する自然な方法で、近くの星や他のメカニズムによるさらなる混乱を引き起こすことなく、地球を自然に消滅させることができます」とファーハット氏は語った。
Touma氏は、同じメカニズムが連星系から複数の惑星、特にケプラーやTESSで検出可能な惑星を除去する可能性が高いと付け加えた。
系外惑星を超えた広範な影響
研究者らは現在、超大質量ブラックホールのペアを周回する星団など、他の極端な環境にモデルを適用している。彼らはまた、同様の相対論的効果が、正確なタイミングで電波信号を発する、高速で回転する中性子星のペアである連星パルサーの周囲に惑星がまれである理由を説明するのに役立つかどうかも調査している。これらの発見は、かつてニュートン重力によって完全に説明されると考えられていた系においてさえ、アインシュタインの理論が引き続き重要であることを浮き彫りにしている。
「興味深いことに、アインシュタインの計算からほぼ1世紀後、コンピューターシミュレーションによって、相対論的効果が水星を太陽系外への無秩序な拡散からどのように救ったのかが示されました。ここでは、惑星系を混乱させる関連効果が働いていることがわかります」とトーマ氏は述べた。 「一般相対性理論は、ある意味ではシステムを安定させますが、別の意味ではシステムを乱しています。」
参考文献: モハマド・ファルハトとジハード・トウマ著「アプシダル共鳴への捕捉とインスピレーションを与える連星の周囲の惑星の消滅」、2025 年 12 月 8 日、天体物理学ジャーナルレター.
DOI: 10.3847/2041-8213/ae21d8
Farhat は、カリフォルニア大学バークレー校のミラー基礎科学研究所によって支援されています。
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