自宅で系外惑星を見つける方法：NASA TESS の実データで始める入門ガイド
太陽系の外で知られている6,000個以上の惑星のほとんどは、直接見られたことがありません。見つかったのは、ある恒星がほんのわずかに暗くなるのが、何度も繰り返されることに気づいたからです。惑星がその前を通過していたのです。これがトランジット法で、使われるデータは公開されています。ブラウザと少しの根気があれば、プロの天文学者と同じ観測データで惑星を探せます。
このガイドでは、惑星ハンターに収められた本物の恒星を使って、トランジット探しの進め方を一歩ずつ説明します。
データの出どころ：NASA の TESS
NASA のトランジット系外惑星探索衛星（TESS）は2018年4月に打ち上げられました。24°×96°の帯状の空を一度に約27日間（1「セクター」）見つめ、次の帯へ向きを変えます。選ばれた数十万個の恒星について、2分ごとに明るさを記録します。恒星ごとの結果が光度曲線、つまり明るさを時間に沿って並べたグラフです。
これらはすべて NASA の MAST アーカイブから一般に公開されています。TESS はすでに数千個の惑星候補（TESS Objects of Interest、TOI）を見つけ、そのうち数百個が確認されています。データの中には、誰かに見てもらうのを待っている信号がまだたくさんあります。
惑星による減光はどれくらい？
惑星が恒星の前を横切ると、恒星の円盤のうち、両者の面積の比、つまり（惑星の半径 / 恒星の半径）²の割合が隠されます。探すものの大きさの目安は次のとおりです：
- 太陽に似た恒星の前の木星：約1%暗くなる。
- 太陽に似た恒星の前の地球：約0.008%（84 ppm）。
- 小さな赤色矮星の前の小さな惑星：恒星が小さいので、ずっと深くなる。TESS の小さな惑星の多くが赤色矮星を回っているのはこのためです。
惑星ハンターの惑星はこの範囲全体をカバーしています。減光が約1%で22.6時間ごとに戻ってくる巨大惑星 WASP-18 b から、TESS が最初に発表した惑星で、明るい主星を0.03%足らずしか暗くしない π Mensae c までです。
ステップ1：繰り返す減光を見つける
本物の光度曲線はノイズだらけです。恒星はちらつき、探査機は揺れ、どの測定にも少しのばらつきがあります。1回の減光だけでは何も証明できません。探すべきは、毎回同じ深さ、同じ長さで繰り返す減光です。
惑星ハンターでは、見つけた減光に印をつけていきます。2つか3つそろったら、その間隔はどれもある1つの数の整数倍になっているはずです。それが惑星の公転周期です。赤色矮星を回る岩石惑星 LHS 3844 b はわずか11時間で一周するので、27日間の1セクターだけで何十回ものトランジットが見えます。
ステップ2：光度曲線を折りたたむ
周期が分かったら、光度曲線を1周期ずつに切って重ねられます。これを位相の折りたたみと呼びます。周期が正しければすべてのトランジットがそろい、ノイズに埋もれていた弱い減光がはっきり浮かび上がります。周期が違えば、減光はぼやけてしまいます。生のデータでは目で見えないほど浅い惑星も、天文学者はこの折りたたみで見つけています。
ステップ3：減光から惑星を読み取る
折りたたんだトランジットからは多くのことが分かります：
- 深さは、恒星に対する惑星の大きさを表します。恒星の半径が分かれば、惑星の半径が分かります。
- 長さは、軌道の大きさと恒星の大きさで決まります。恒星から遠い惑星はゆっくり動くので、横切るのに時間がかかります。
- 形も大切です。惑星はしばらく恒星の円盤の内側に完全に入っているので、底が平らで縁が傾いた減光になります。
ステップ4：2つの恒星ではないか確かめる
いちばんよくある偽物は食連星です。互いの周りを回る2つの恒星が、交互に相手の光をさえぎります。注意すべきサインは次のとおりです：
- 減光が底の平らな形ではなく、V字形。
- 1回おきの減光で深さが違う（奇数回と偶数回が合わない）。2つの恒星が異なるためです。
- 主な減光のちょうど中間に、もっと小さな2番目の減光がある。明るいほうの星が暗いほうを隠すときです。
- 惑星にしては深すぎる。惑星が太陽に似た恒星の光をさえぎるのは、せいぜい数パーセントです。
とはいえ、食連星がいつも外れというわけではありません。2020年、17歳の NASA インターン、ウルフ・キューキアさんは、Planet Hunters TESS のデータでまさにこの種の連星、TOI-1338 を調べていたとき、合わない余分な減光に気づきました。それは、地球の約6.9倍の大きさで2つの恒星の両方を回る惑星、TOI-1338 b でした。惑星ハンターでも同じ系を調べられます。
ステップ5：もう知られている？
喜ぶ前に、その恒星にすでに TOI 番号や確認済みの惑星がないか確かめましょう。惑星ハンターは、見つけた周期を NASA のカタログと照らし合わせてくれます。既知のどれとも合わなければ、本当に新しい候補を見つけたのかもしれません。Zooniverse の Planet Hunters TESS プロジェクトのボランティアは、こうした候補をたくさん見つけ、その一部は惑星として確認されています。
本当の探索に挑戦
惑星ハンターの10個の練習用の恒星は既知の系なので、答え合わせができます。準備ができたら、本当の探索モードで、最新の TESS セクターの光度曲線を NASA のアーカイブから直接読み込めます。その中の信号のほとんどは、まだ誰も調べていません。
惑星ハンターを開いて WASP-18 b から始め、どこまで浅い減光を見つけられるか試してみてください。
よくある質問
アマチュアでも本当に系外惑星を発見できますか？ できます。TESS やケプラーのデータは公開されていて、Planet Hunters TESS などのプロジェクトのボランティアが、のちにプロの天文学者に確認された惑星候補を見つけています。2つの恒星を回る惑星 TOI-1338 b もその1つです。
光度曲線とは何ですか？ 恒星の明るさが時間とともにどう変わるかを示すグラフです。惑星が恒星の前を通ると、小さな減光が繰り返し現れます。
TESS はどれくらい小さな惑星を見つけられますか？ TESS は地球より小さな惑星も見つけています。その多くは近くの小さな赤色矮星を回っていて、そこでは地球サイズの惑星でも星の光を大きな割合でさえぎるからです。
トランジットする惑星の多くが短い軌道なのはなぜですか？ TESS が1つの空の領域を見つめる数週間のうちに、惑星は少なくとも2回、できればそれ以上、恒星の前を通らなければならないからです。恒星に近い惑星は頻繁にトランジットしますが、1年周期の惑星では、減光は多くても1回しか見られないのがふつうです。
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出典
- Ricker et al. (2015), Transiting Exoplanet Survey Satellite, JATIS 1, 014003. doi:10.1117/1.JATIS.1.1.014003
- Kostov et al. (2020), TOI-1338: TESS's First Transiting Circumbinary Planet, AJ 159, 253. doi:10.3847/1538-3881/ab8a48
- NASA, NASA's TESS Mission Uncovers its 1st World with Two Stars (2020): Wolf Cukier's discovery. nasa.gov
- Huang et al. (2018), TESS Discovery of a Transiting Super-Earth in the Pi Mensae System, ApJL 868, L39. doi:10.3847/2041-8213/aaef91
- Vanderspek et al. (2019), TESS Discovery of an Ultra-short-period Planet around the Nearby M Dwarf LHS 3844, ApJL 871, L24. doi:10.3847/2041-8213/aafb7a
- NASA Exoplanet Archive and MAST (Mikulski Archive for Space Telescopes). exoplanetarchive.ipac.caltech.edu · archive.stsci.edu
トランジットの深さは（惑星の半径 / 恒星の半径）²で、地球6,371 km、木星69,911 km、太陽695,700 kmを使っています。惑星ハンターの各恒星の周期と深さは、それぞれの TESS 光度曲線で測った値です。