JWSTが微小な太陽系外縁天体27個を発見、ハッブルとの観測で大型天体と共通する色の傾向

海王星より外側を公転する太陽系外縁天体（TNO）について、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）を使った深宇宙探査で、これまで観測が難しかった暗い天体27個が新たに発見された。ハッブル宇宙望遠鏡による可視光観測も組み合わせた分析では、このうち13個について可視光から近赤外線までの色が測定され、小さなTNOにも大型天体で知られている色の傾向が続いていることが分かった。

研究成果は2026年9月8日、The Astronomical Journalに掲載された2本の論文で発表された。小型TNOの数と色を調べることで、太陽系初期に微惑星が形成された過程や、その後の衝突が天体表面に与えた影響を検討するための新たな観測資料が得られた。

■JWSTが暗い太陽系外縁天体27個を発見

ビクトリア大学のMarielle R. Eduardo氏らは、JWSTの近赤外線カメラNIRCamを使い、約0.05平方度の狭い領域を観測した。複数回の画像を天体の予想移動方向に合わせて重ねる「シフト・アンド・スタック」と呼ばれる手法などを用い、非常に暗いTNOを探索した。

その結果、27個のTNOが新たに検出された。最も暗い天体はNIRCamのF150W2フィルターで29.3等級だった。天体の直径は反射率の仮定によって変わるが、研究論文では反射率を15％と仮定した場合に約10kmと見積もっている。一方、NASAは異なる推定条件を踏まえ、今回観測された最小の天体を直径約5kmとして紹介している。

遠方の小天体は画像上で点としてしか捉えられないため、大きさを直接測定したわけではない。観測された明るさ、推定距離、想定する反射率などから直径を見積もっており、数値にはこうした条件に伴う幅がある。

調査では、人工的に作成したTNOの信号を観測画像へ挿入し、どの程度の明るさまで安定して回収できるかも検証した。検出できなかった天体を統計的に補正することで、小型TNOの明るさごとの個数分布を推定している。

■ハッブルとの組み合わせで色を分析

ノーザンアリゾナ大学のAnastasia N. Morgan氏らは、JWSTの近赤外線観測と、ほぼ同時に実施したハッブル宇宙望遠鏡の可視光観測を組み合わせた。ハッブルではAdvanced Camera for SurveysとWide Field Camera 3が使用され、JWSTが検出した天体のうち13個を可視光画像でも確認した。

両望遠鏡のデータにより、約0.35～3.2マイクロメートルにわたる可視光から近赤外線までの色を測定できた。天体の色は表面物質の反射特性を反映するため、組成や表面が受けてきた変化を探る手掛かりになる。ただし、今回の測定は主に測光による色の分析であり、各天体の化学組成を直接同定したものではない。

分析の結果、小さなコールド・クラシカルTNOの色は、既知の大型コールド・クラシカルTNOが示す単一の反射率系列と整合した。サイズが小さくなっても、この色の系列が変化したことを示す証拠は見つからなかった。

力学的に励起されたTNOでは、これまで大型天体で確認されてきた複数の組成グループと整合する、より幅広い色が観測された。小型天体でも、それぞれの力学的集団に特徴的な色の分布が続いていることになる。

■「コールド」と「ホット」が表す軌道の違い

TNOに使われる「コールド」と「ホット」は、天体表面の温度ではなく軌道の性質を表す。

コールド・クラシカルTNOは、太陽系の黄道面に近い、離心率と軌道傾斜角の小さい軌道を持つ。現在の軌道付近で形成され、その後も大きな力学的移動を経験していない集団と考えられている。

これに対して力学的にホットなTNOは、離心率や軌道傾斜角が比較的大きい。太陽系初期に現在より内側で形成され、巨大惑星の移動に伴う重力作用によって現在の太陽系外縁部へ運ばれたとする形成モデルが有力である。

今回の観測では、小型のコールド・クラシカルTNOが大型天体と同じ狭い色の系列に属する一方、力学的に励起された小型TNOは大型天体と同様に多様な色を示した。この対応関係は、現在の表面特性に形成領域の違いが反映されている可能性を示している。

■小天体でも大型天体と共通する色の傾向

小型TNOは大型天体より衝突の影響を受けやすく、衝突によって内部の物質が露出したり、より大きな天体の破片として形成されたりすることで、異なる色を示す可能性が考えられてきた。

しかし、今回測定された天体では、サイズが小さくなることに伴って既知の色の系列から外れる傾向は確認されなかった。この結果は、TNOの特徴的な色の分布が、サイズに応じた衝突処理だけではなく、形成時の組成や長期的な表面変化を反映しているという解釈を支持する。

Morgan氏は、衝突や破砕によって表面組成が変わるなら、小型TNOと大型TNOの間に異なる表面色が現れることが予想されると説明した。そのうえで、最小クラスの天体にも形成履歴を反映した特徴が残っていることは興味深いと述べている。

色の傾向が維持される理由は、今回の観測だけでは特定されていない。小天体の表面を大きく変える衝突が予想より少ない可能性や、新しく露出した表面が宇宙線などの照射を受け、時間とともに周囲と似た反射特性へ変化する可能性などが検討課題となる。

■異なる集団で似ていた明るさ分布

Eduardo氏らは、27個の検出結果をもとに、TNOの見かけの明るさごとの個数を表す光度関数を求めた。解析対象を力学的にコールドな集団とホットな集団に分けたところ、両者の分布は同じべき乗則で説明できる範囲にあった。

天体の明るさから大きさを導くには反射率の仮定が必要となるため、今回の論文が直接測定した中心的な量は光度分布である。それでも、両集団で傾きが整合していることは、異なる形成領域で生まれたと考えられる微惑星が、似た相対的サイズ分布を持つ可能性を示す。

研究チームはまた、非常に小さなTNOが一部の惑星形成モデルから予想されるほど多くないことを報告した。この結果は、小型天体の形成時の分布や、その後の衝突による進化を扱うモデルを改良するための観測上の制約になる。

ただし、対象領域は約0.05平方度と狭く、サンプル数も27個である。コールドとホットの各集団における分布の違いを詳しく調べるには、より広い領域を対象とした追加観測が必要となる。

■微惑星形成を考える新たな観測材料

太陽系初期には、ガスと固体粒子からなる円盤の中で、小さな粒子が集積して微惑星が形成されたと考えられている。その有力な仕組みの一つがストリーミング不安定性である。

ストリーミング不安定性では、円盤内の固体粒子とガスの相互作用によって粒子が局所的に集中し、十分に高密度になった粒子群が自己重力で収縮して微惑星を形成する。単純に粒子同士が少しずつ衝突、付着して成長する経路とは異なる微惑星形成モデルである。

異なる形成領域に由来すると考えられるコールドとホットの集団が、今回の観測範囲で似た光度分布を示したことは、円盤環境が異なっても微惑星の相対的なサイズ分布に共通性が生じ得ることを示している。これはストリーミング不安定性を含む形成モデルを、観測結果と照合するための新たな材料となる。

一方、今回の結果だけから特定の形成機構を確定したり、原始惑星系円盤の条件にかかわらず常に同じ天体群が形成されると結論付けたりすることはできない。得られた共通性は、微惑星形成の仕組みを読み解く手掛かりとして、今後より大規模な観測やシミュレーションと比較されることになる。

■太陽系初期の履歴を探る観測領域

今回の研究は、JWSTの高い近赤外線感度と、ハッブル宇宙望遠鏡の可視光観測を組み合わせることで、従来は詳しく調べることが難しかった小型TNOの領域へ踏み込んだ。

JWSTは極めて暗い天体の検出と近赤外線測光を担い、ハッブルは可視光側の色を補った。この組み合わせによって、発見された27個の個数分布を調べるとともに、可視光でも確認できた13個について、より広い波長域にわたる表面反射特性を分析できた。

小型TNOの色が大型天体の系列と整合していることや、異なる力学的集団で光度分布の傾きが似ていたことは、太陽系初期の微惑星形成と、その後の衝突進化を考えるための新しい制約になる。今後サンプルが拡大すれば、形成時の特徴がどのサイズまで残されているのか、コールドとホットの集団にどのような共通点と相違点があるのかを、より詳しく検証できると期待される。

元記事: Hubble and Webb Find Solar System’s Tiniest Relics Preserved Their Chemical Memory