はぐれ惑星とは？重力マイクロレンズで見つける方法

まずは、かんたんな答えから

はぐれ惑星の見つけ方、かんたんに言うと

どの星のまわりも回っていない惑星があります。はぐれ惑星です。自分では光りません。どうやって見つけるのでしょうか。

重力を使います。

重いものがあると、そのそばを通る光は少し曲がります。はぐれ惑星が、遠くの星の手前を横切ったとしましょう。その星の光は、レンズを通したように集まります。すると少しのあいだ、明るく見えるのです。

この一時的な明るさをとらえて、見つけます。

生まれたばかりで熱いものなら、赤外線で直接うつることもあります。

ただし、一度きりの明るさだけでは、重さも距離も決まりません。近くの軽い星と見分けがつかないこともあります。

つまりはぐれ惑星の見つけ方は、光をさがすことではありません。重力のはたらきをさがすことなのです。

この記事の事件と登場人物は、STAR WARRANT の物語です。自由浮遊惑星、視差についての説明は、実際の観測と研究にもとづいています。

CASE076の円盤から外向きに走った影は、背景星を百二十七分だけ明るくして消えた。CLOCK 14は逃走惑星の位置を一つに固定したが、MICA-13は同じ光度曲線を作る質量と距離の組が複数あると警告する。天城レイは追跡加速を保留し、ハク・ヴェイルは報酬対象を失う前に、別方向から同じ増光を測る観測基線を作ろうとした。

STORY — 光った星ではなく手前の影を追う

増光した背景星は爆発していなかった。色はほぼ変わらず、明るさは滑らかに上がって下がった。手前を通過した重力源が星の光路を曲げたと考えれば説明できる。

ハクは最短の時刻幅から地球質量級と推定し、直線航路の先へヴェスパーを向けた。MICA-13は時間幅が質量だけでなく距離と横速度にも依存すると反論した。同じ百二十七分でも、近く遅い天体と遠く速い天体では解が変わる。

レイは「惑星を追う」のではなく、「レンズ方程式の足りない量を測る」と捜査目的を変更した。

REAL SCIENCE — はぐれ惑星は恒星を回らず銀河を漂う

自由浮遊惑星、またははぐれ惑星は、恒星へ重力的に束縛されず銀河内を移動する惑星質量天体を指します。形成時に惑星系から散乱・放出された天体、星形成のような過程で低質量に生まれた天体など、複数の起源が考えられます。

「惑星」という名称は質量だけでなく形成史や軌道状態の定義問題を含みます。恒星を回らない天体を準褐色矮星と呼ぶ場合もあり、観測だけで形成経路を決められないことがあります。

冷えて暗くなった古い天体は反射する恒星光も乏しく、通常の系外惑星トランジットや視線速度では見つけにくい対象です。[参考1]

REAL SCIENCE — 重力マイクロレンズは手前の質量を光で測る

背景星、手前のレンズ天体、観測者が近く一直線に並ぶと、レンズの重力で背景星の光路が曲がり、見かけの明るさが増えます。像の分離角は通常小さく、地上観測では複数像を一つの増光として測ることが多いです。

点状レンズと点状光源の理想モデルでは、光度曲線は対称です。惑星を伴う恒星レンズでは短い異常が重なることがあり、単独の低質量レンズでは短い独立イベントになります。

レンズ天体が自ら光らなくても重力があれば検出できる点が、はぐれ惑星探索に有利です。ただし一度限りの整列であり、同じイベントを繰り返すとは限りません。[参考2]

STORY — ハクが一つ目の追跡座標を捨てる

ヴェスパーの予測位置には何も見えなかった。ハクはセンサー感度のせいだと主張したが、レイは光度曲線から一つの三次元座標が得られない以上、追跡失敗ではなく座標の過剰決定だと指摘した。

ハクは賞金掲示へ出した暫定座標を撤回した。撤回すれば先行権を失う。それでも誤った位置へ別船を集めるより、未確定のまま保つ方を選んだ。

MICA-13は単一観測点の光度曲線を保存し、次の課題を視差測定へ移した。

REAL SCIENCE — イベント時間尺度だけでは質量は決まらない

マイクロレンズの代表的時間尺度は、角アインシュタイン半径をレンズと光源の相対固有運動で割った量です。角アインシュタイン半径はレンズ質量と、観測者・レンズ・光源の距離関係に依存します。

したがって短いイベントは低質量天体を示唆しますが、高速なレンズや幾何条件でも短くなります。時間幅だけから「地球質量」と断定できません。

有限光源効果が測れれば角アインシュタイン半径を制約でき、地球公転や離れた観測点によるマイクロレンズ視差が測れれば、質量と距離をより分離できます。両方が得られないイベントでは確率分布で推定します。

REAL SCIENCE — 二地点観測は光度曲線の差を作る

宇宙空間で大きく離れた二つの観測点から同じイベントを見ると、見かけの整列が少し変わり、ピーク時刻や増光度に差が生じます。これが視差情報になります。

地上と宇宙望遠鏡、または異なる軌道の探査機を組み合わせる構想があります。イベントが短いほど迅速な通知と高頻度観測が必要です。天候、昼夜、観測窓が欠けるとピークを逃します。

視差が検出されなくてもゼロとは限らず、基線の向きとイベント軌跡によって感度が変わります。

STORY — ナイトジャー号とヴェスパーが別々の時刻を見る

レイはナイトジャー号を減速させ、ハクはヴェスパーを横方向へ送った。二隻を離せば、救助時の相互支援が弱くなる。さらに増光はすでに下降中で、観測時間は残っていなかった。

ハクは帰還燃料を削って基線を広げた。二隻の光度曲線には小さなピーク時刻差が生じたが、測定誤差と同程度だった。MICA-13は視差を検出ではなく上限として登録した。

決定的質量を得られなかった代わりに、近傍の恒星質量天体という一部の解を除外できた。捜査は一つの正解より、残る範囲を狭める方向へ進んだ。

REAL SCIENCE — 有限光源効果は小さなレンズで重要になる

背景星を点とみなせないほどレンズのアインシュタイン角が小さい場合、レンズが星面のどこを通るかで光度曲線が丸まり、色や表面輝度分布の影響が現れます。

有限光源パラメータと背景星の角半径が分かれば、角アインシュタイン半径を求められます。背景星の色と明るさから角半径を推定する際には、星間消光と星種の不確実性があります。

CASE077ではピーク付近の色データが一部欠け、有限光源効果の候補はあっても確定しませんでした。

REAL SCIENCE — レンズ天体の光を後から分離できる場合がある

イベント後にレンズと背景星が空で離れていけば、高解像度観測でレンズの光を検出できることがあります。光が見つかれば、恒星や褐色矮星を含む明るいレンズを判定し、質量推定を改善できます。

光が見えない場合も、暗い天体である上限を与えます。ただし距離が遠い、消光が強い、背景星が明るいなど、惑星以外でも見えない理由があります。

はぐれ惑星候補では、イベント後数年にわたる固有運動追跡が必要になる場合があります。短い増光に対し、答えは長期観測でしか得られません。

STORY — MICA-13が「逃走中」を消す

CLOCK 14はレンズが円盤から放出された軌跡を表示していた。しかしイベントの方向だけでは、CASE076の星系と同じ距離か分からない。背景上で近いことと、三次元で同じ系に属することは別です。

MICA-13は記録から「円盤から放出（EJECTED FROM DISK）」を削除し、「未束縛レンズ候補（UNBOUND LENS CANDIDATE）」に変更した。レイは円盤事件と因果的に連続した観測であっても、物理的起源まで連続しているとは限らないと認めた。

ハクは対象を逃亡者として追えなくなったが、代わりに長期固有運動の観測権を確保した。

REAL SCIENCE — 自由浮遊惑星の数は選択効果に左右される

マイクロレンズ調査から銀河内の自由浮遊惑星数を推定するときは、検出効率、観測間隔、天候、混雑、光源星分布、質量関数を補正します。短いイベントほど見落としやすく、偽陽性との区別も難しくなります。

初期研究では木星質量級が非常に多い可能性が示された一方、再解析や別調査で数の見積もりは変化しています。地球質量級まで含む分布は今後の広視野高頻度観測で改善されます。

一つのイベントから銀河全体の個数を語らず、調査の検出効率と統計モデルを確認する必要があります。

REAL SCIENCE — Romanは広い視野でマイクロレンズを調べる計画

NASAのNancy Grace Roman Space Telescopeは、銀河バルジ方向の多数の星を高頻度で監視し、系外惑星と自由浮遊惑星候補をマイクロレンズで探す計画です。広い視野と安定した宇宙観測により、短いイベントへの感度向上が期待されています。

打ち上げや調査設計は計画情報であり、実施前の検出数は予測です。予測値は惑星個数分布と運用条件に依存します。

地上観測との同時観測が視差測定へ役立つ可能性がありますが、具体的な同時性と天候は将来の運用条件です。[参考3]

REAL SCIENCE — 赤外線直接撮像で見える若い自由浮遊天体もある

若く質量の大きい惑星質量天体は形成後の熱を持ち、赤外線で自ら光ります。星形成領域や若い移動星団で、非常に低質量の孤立天体候補が見つかっています。

光度から質量を求めるには年齢と冷却モデルが必要です。形成時の初期エントロピー、雲、化学組成で明るさが変わり、惑星質量と褐色矮星の境界は観測だけで鋭く分かれません。

古く冷たい地球質量天体は直接撮像が非常に難しく、マイクロレンズの役割が大きくなります。[参考4]

REAL SCIENCE — アストロメトリック・マイクロレンズは位置の揺れを測る

レンズで複数像が分離できなくても、その合成光の重心位置はイベント中に小さく動きます。明るさの増加を測るフォトメトリック・マイクロレンズに対し、位置変化を測る方法をアストロメトリック・マイクロレンズと呼びます。角アインシュタイン半径への独立情報を与え、質量推定を改善できます。

位置移動は非常に小さく、背景星の固有運動、年周視差、装置歪み、近傍星との混雑を同時にモデル化します。イベント終了後も基準位置を追跡しなければなりません。短時間の惑星質量イベントでは光度変化より位置変化の測定が難しい場合があります。

CASE077ではナイトジャー号とヴェスパーの画像基準が異なり、同一の星表へ再投影する必要がありました。ハク・ヴェイルは一夜の速報より、数か月後にも比較できる基準星観測を選びました。

REAL SCIENCE — 連星レンズの縮退は異なる天体配置を許す

マイクロレンズ光度曲線には、近接・広離隔解、衝突パラメータの符号、視差とレンズ軌道運動など、異なるモデルが似た信号を作る縮退があります。惑星質量の短い異常を見つけても、主星へ束縛された惑星か自由浮遊天体かを区別できない場合があります。

主星から十分離れた惑星は、短いイベントだけを作り、主星の緩やかなレンズ信号が観測窓外になることがあります。高解像度の事後撮像や長い基線で主星候補を探します。非検出は束縛を完全に否定せず、主星質量と射影距離へ上限を与えます。

MICA-13は「未束縛（UNBOUND）」を確定語から外し、「現在の検出限界内では主星未検出（NO HOST DETECTED WITHIN CURRENT LIMITS）」に変更しました。星が見つからないことと、星が存在しないことを分けるためです。

REAL SCIENCE — 掩蔽は主力検出法ではなく補助的な構想

暗い天体が偶然背景星の前を通れば、短い掩蔽で星光を遮ります。外太陽系の小天体では高速測光を使う探索がありますが、はぐれ惑星について一般に確立した主力検出法は重力マイクロレンズであり、本記事でも掩蔽を通常の発見実績として数えません。重力レンズが光を増やすのに対し、幾何学的掩蔽は減光を作ります。

小さな天体ではフレネル回折が光度曲線を形作り、距離、波長、天体サイズの組み合わせを制約します。大気があれば段階的な減光や屈折が現れる可能性があります。恒星の角直径と観測時間分解能が重要です。

CASE077の候補位置で掩蔽は起きませんでした。非検出から半径を直接ゼロにせず、通過確率と観測範囲を記録しました。

STORY — 捕獲軌道を組まず、長期監視へ渡す

ハクは暗い天体へ接近して熱を直接測る案を出したが、位置予測の幅は航法安全域より大きかった。天城レイは探索燃料を使い切る捕獲航路を認めず、MICA-13へ候補の確率雲を保管させた。

接近すれば分類を早く決められるかもしれない。その代わり位置が外れれば、CASE078で必要な赤外線観測基線まで失う。三人は捕獲賞金を捨て、固有運動が現れるまで待てる監視計画を選びました。事件の決着を遅らせることが、見えない天体へ架空の座標を与えない代償でした。

REAL SCIENCE — 銀河の運動モデルが距離事前分布を作る

レンズ質量を統計的に推定するときは、銀河円盤・バルジの星と暗い天体がどこにどの速度で分布するかという銀河モデルを使います。背景星の距離、レンズ密度、速度分散を事前分布にし、光度曲線の時間尺度と組み合わせます。

モデルを変えると質量確率分布も変わります。特に短い一回限りのイベントでは、事前分布の影響が大きくなります。中央値だけでなく、採用した銀河モデルと信用区間を示します。

MICA-13はCLOCK 14の古い星表が自由浮遊天体密度を過大に置いていることを見つけました。更新モデルへ交換すると惑星質量の確率は下がりましたが、暗い低質量レンズ候補という結論は残りました。

REAL SCIENCE — 惑星の放出速度は形成環境を反映する可能性がある

惑星同士の散乱で放出された天体は、元の惑星系の脱出速度に近い追加速度を持ちます。星団内の恒星遭遇や連星相互作用では異なる速度分布が予想されます。多数の自由浮遊天体の三次元運動を測れれば、起源集団を統計的に調べられる可能性があります。

個別天体の速度だけで起源を決めることは難しく、銀河の通常運動へ小さな放出速度が重なります。年齢、化学組成、近傍星団との共通運動が必要です。

ハク・ヴェイルが測った横速度はCASE076星系からの直接放出にも、無関係な銀河円盤天体にも適合しました。方向が外向きに見えたという物語上の連続性は、形成起源の確定証拠にはなりませんでした。

REAL SCIENCE — 冷たい惑星の内部熱と大気は赤外線を変える

恒星から離れた巨大惑星でも、形成時の熱、重力収縮、放射性元素、潮汐履歴により赤外線を放射します。厚い水素大気は内部熱を運び、雲と非平衡化学がスペクトルに影響します。地球質量の古い天体ははるかに暗く、直接撮像が困難です。

自由浮遊惑星に厚い大気や氷殻下海が長期間存在できるというモデルがありますが、直接観測で一般性が確認されたわけではありません。「恒星がないから必ず凍結」「内部海があるから生命」とは言えません。

CASE077の赤外線源は温度上限しか得られず、大気の有無を決められませんでした。熱を検出したことを居住可能性へ飛躍させず、CASE078の亜恒星大気比較へ渡しました。

REAL SCIENCE — 観測頻度が短時間イベントの人口推定を左右する

一時間以下のイベントを見つけるには、同じ星野を数分以下の間隔で繰り返し撮影する必要があります。観測間隔が長いとピークを一枚しか記録できず、宇宙線や変光星との区別が難しくなります。混雑した銀河バルジでは多数の星の光が重なるため、差分画像解析と人工イベント注入で検出効率を測ります。

調査の空白時間、飽和、月明かり、季節を含めて効率を計算しなければ、短いイベントの数を過小評価します。一方、ノイズをイベントとして数えれば過大評価します。

STORY — 一枚だけの赤外像を天体へ昇格させない

ハク・ヴェイルの赤外線像は候補方向に一つの点を示しましたが、次時刻には再現しませんでした。天城レイはそれをレンズ天体の直接撮像とせず、単発候補として保存しました。MICA-13は宇宙線痕、背景小惑星、検出器残像も同じ優先度で照合しました。

「見えた」という報告を弱めることで捕獲令状は成立しませんでした。しかし単発画像と重力イベントを無理に同一対象に結び付けず、CASE078で固有運動を測れる別の低温源だけを独立して追跡できました。

REAL SCIENCE — 事後確率は観測した範囲を越えて断言しない

候補イベントへ複数モデルを当てると、それぞれの尤度と事前分布から事後確率が得られます。ただし結果は採用したモデル集合の中での比較です。未知の変光現象や未モデル化系統誤差が除外された証明ではありません。調査が検出できる質量・時間幅・空領域を明記し、その外側の天体数を直接数えたように表現しません。CASE077では惑星質量解が残りましたが、形成起源と束縛状態は観測範囲外として切り分けました。

HYPOTHESIS — CASE076の円盤から放出されたのか

惑星系では複数巨大惑星の重力散乱、恒星の近接通過、連星相互作用で惑星が系外へ放出され得ます。形成途中の星団は接近遭遇が多く、自由浮遊天体の供給源になり得ます。

作中のレンズ候補はCASE076の円盤の見かけ近くにあり、横方向も外向きでした。しかし距離と放射速度がなく、同じ星系からの放出は証明できません。時間的に直後に見つかったことも、物理的因果の証拠にはなりません。

確定したのは、背景星の一過性増光を作る低質量レンズ候補があり、明るい恒星レンズの一部を除外できたことです。

REAL SCIENCE — はぐれ惑星で誤解しやすい七点

• 恒星を回らない天体は存在できない：銀河の重力内を独立して移動できます。
• 短い増光なら質量が直接分かる：距離と相対速度との縮退があります。
• レンズで背景星が実際に明るくなる：光路が曲がり、見かけの受光量が増えます。
• 同じ増光は毎年繰り返す：通常は一度限りの整列です。
• 暗ければ惑星：褐色矮星、暗い恒星、遠方天体も候補です。
• 候補数が銀河の実数：検出効率補正が必要です。
• 円盤近くで見つかれば放出惑星：三次元距離と運動の確認が必要です。

REAL SCIENCE — レンズ事件の証拠区分

区分	内容
観測事実	百二十七分の無色に近い増光、二地点時刻差上限、事後の暗い赤外線源
確立した説明	手前の質量は背景星の光を重力レンズで増光できる
推定	レンズ質量範囲、距離、横速度、赤外線温度上限
未確定	惑星か褐色矮星か、CASE076星系との関係、形成起源
物語表現	逃走惑星令状、二船観測基線、先行権の撤回

STORY — 見えない天体から熱だけが残る

増光が終わった後、ハクの赤外線観測に極めて暗い移動源が一度だけ写った。予測位置とはずれており、レンズ候補そのものか別天体か判定できない。

レイは追跡を終了し、OMTへ「惑星確保」ではなく「低質量レンズ候補の証拠保全」と報告した。ハクは捕獲報酬を得られなかったが、誤った質量と位置を売らない選択をした。

MICA-13は赤外線源の温度上限を保存した。その値は惑星より重いが恒星には届かない天体も許した。今回の証拠回収は、星を持たない影を惑星と断定せず、次に褐色矮星との境界を調べる必要を示した。

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区分表示：127分の増光に付いた捕獲報酬と、二船の観測基線を試した判断はSTAR WARRANTの物語です。重力マイクロレンズによるはぐれ惑星の探索、若く熱い天体の赤外線直接撮像、短い増光だけでは質量・距離・束縛状態を決められないことは現実の観測と研究であり、観測と解釈と未確定の境界を明示します。

REAL SCIENCE この事件で確認できる現実の科学

はぐれ惑星は主に重力マイクロレンズで探し、若く熱い天体は赤外線で直接撮像できる場合もある。ただし短い増光だけでは質量・距離・恒星への束縛状態を一意に決められない。

STORY ナイトジャー号の捜査記録

127分の増光から一つの追跡座標を作らず、二船の観測基線を試し、捕獲報酬を捨てて確率領域のまま長期監視へ渡した事件です。船・令状・CLOCK 14はフィクションです。

HYPOTHESIS 観測と実証を待つ部分

レンズの質量・距離・横速度、恒星へ束縛されているか、CASE076の円盤から放出されたかは未確定です。一度の赤外線点像も同一天体の証拠にはしていません。

SEASON 2 MEMORY

この捜査で確定したこと

• この捜査で、CASE076末の増光は円盤を回る惑星ではなく独立した低質量レンズ候補であり、単独光度曲線では地球質量級と近傍の低質量星という解釈が縮退したまま残ると確定した。

捜査済みにする 「第十四の時計」捜査ボードで進捗を見る (0/55)

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