天文学者たちは長い間、惑星の質量と自転速度には関連性があると推測してきた。私たちの太陽系では、木星と土星がその顕著な例だ。巨大なサイズにもかかわらず、両方とも約10時間で一回転し、太陽系全体の回転エネルギーの大部分を占めている。
この関係が私たちの宇宙の近隣を超えて成り立つかどうかを調べるため、研究者たちはハワイのマウナケア山にあるW・M・ケック天文台を使用し、遠方の巨大な世界の大規模なサンプルを調査した。彼らの調査には、他の星系にある32個のガス惑星と褐色矮星の伴星が含まれ、そのうち6個は木星よりも大きな惑星、25個は褐色矮星の伴星だった。
観測により、興味深い傾向が明らかになった。質量、サイズ、年齢などの要素を考慮すると、巨大ガス惑星はより重い褐色矮星よりも速く自転する傾向がある。分析を強化するため、研究者たちは他の研究からの以前の自転測定も取り入れ、43個の恒星/準恒星の伴星と巨大惑星、および54個の自由浮遊褐色矮星と惑星質量天体を含む慎重に選別されたデータセットを作成した。
国際チームは、ノースウェスタン大学の天体物理学研究センター（CIERA）の科学者たちが率いた。共同研究者には、カリフォルニア大学サンディエゴ校の天体物理学・宇宙科学センター（CASS）、カリフォルニア工科大学の地質惑星科学部門（GPS）、W・M・ケック天文台、スチュワード天文台、ジェームズ・C・ワイアント光学科学大学、NASAのジェット推進研究所、その他いくつかの機関の研究者が含まれていた。彼らの発見は『The Astronomical Journal』に掲載された。
調査された惑星の多くは、恒星から数十から数百天文単位（AU）の距離を周回している。科学者たちは、これらの遠方の世界がどのように形成されるのかをまだ解明しようとしている。一部は若い星を取り巻くガスと塵の円盤の中で徐々に出現するかもしれないが、他のものは星自体を形成する崩壊に似たプロセスを通じて形成される可能性がある。
調査のため、研究者たちはケック惑星イメージャー・キャラクタライザー（KPIC）という特殊な機器を使用した。これは、これらの遠方の世界から直接来る光を分離できる。惑星が自転するにつれて、その大気の特徴がスペクトルに微妙な広がりを引き起こす。これらの変化を測定することで、天文学者はその天体がどれだけ速く回転しているかを判断できる。
筆頭著者であるCIERAの研究者、ディノ・チーチュン・スーは、W・M・ケック天文台のプレスリリースでこれらの測定の重要性を説明した。「自転は惑星がどのように形成されたかの化石記録です。これらの世界がどれだけ速く回転しているかを測定することで、数千万から数億年前にそれらを形作った物理的プロセスを解明し始めることができます。KPICを使えば、他の近くの星の周りの惑星の自転を明らかにするこれらの小さな信号を検出できます。私たちの結果は、惑星の質量と、惑星の質量とその恒星の質量の比率の両方が、惑星が最終的にどれだけ速く自転するかに影響を与えることを示唆しています。これは、これらのシステムがどのように形成されるかの物理学を絞り込むのに役立ちます。」
巨大惑星がはるかに大きな隣人を上回る自転
最も明確な例の一つは、HR 8799星系から来ている。そこでは、木星の約7倍の質量を持つガス惑星が、木星の約24倍の質量を持つ褐色矮星の伴星よりも6倍速く自転している。
研究者たちは、その違いは天体の歴史の初期における磁気的相互作用に関連している可能性があると考えている。より強い磁場は、周囲の原始惑星系円盤とより強く相互作用し、時間の経過とともに自転を遅くする可能性がある。この場合、より重い褐色矮星は、その強い磁場のために元の自転の多くを失った可能性が高い。
これらの発見は、科学者たちが遠方の惑星系だけでなく、私たち自身の太陽系の起源をよりよく理解するのに役立っている。スーは言う。「角運動量が惑星間でどのように分配されるかは、惑星系全体の構造に影響を与えます。」