系外惑星の隠された姿：質量と半径でわかる内部構造
私たちの太陽系だけでなく、宇宙には無数の恒星があり、その周りにもたくさんの惑星（系外惑星）が見つかっています。これまで「系外惑星のハビタブルゾーンとは？」「系外惑星の様々な種類を知ろう」などの記事で、系外惑星の表面環境や分類についてご紹介してきました。
しかし、惑星の興味深い部分は表面だけではありません。その内部に何があるのか、どのような物質でできているのかを知ることは、その惑星がどのように生まれたのか、そしてどのような進化をたどるのかを理解する上で非常に重要です。
残念ながら、系外惑星の内部を直接見ることは現在の技術ではできません。では、どうやってその隠された姿を探るのでしょうか？ 実は、惑星の「質量」と「半径」という、比較的観測しやすい二つの情報から、その内部構造にある程度の推測ができるのです。
この記事では、系外惑星の質量と半径がなぜ内部構造を知る鍵となるのか、そこからどのように岩石でできているのか、あるいはガスや氷が多いのかといった違いがわかるのかを、初心者の方にも分かりやすく解説します。
なぜ質量と半径が内部構造の手がかりになるのか？
惑星の質量と半径がわかると、その惑星の平均密度を計算することができます。密度とは、ある物体がどれだけ詰まっているかを示す値で、「質量 ÷ 体積」で求められます。
例えば、同じ大きさ（半径）のリンゴと鉄球を比べると、鉄球の方がずっと重い（質量が大きい）ですね。これは、鉄の方がリンゴよりも密度が高い、つまり同じ体積により多くの物質が詰まっているからです。
惑星も同じで、質量と半径から計算される平均密度は、その惑星がどのような物質で主にできているのかを推測するための重要な手がかりとなります。
惑星の体積は、真球と仮定すれば半径がわかれば計算できます（体積 = (4/3) × 円周率 × 半径³）。ですから、観測によって質量と半径が正確に測定できれば、惑星の平均密度がわかるのです。
（図1：質量と半径の関係と、そこから計算される密度の概念図をここに表示することを想定）
密度からわかる惑星の「中身」
惑星の平均密度が計算できたら、その値と、考えられる物質の密度を比較することで、内部がどのような物質で構成されているかの手がかりを得ることができます。
太陽系の惑星を例に見てみましょう。
- 地球のような岩石惑星: 地球の平均密度は約 5.5 g/cm³ です。これは岩石や金属（特に中心部の鉄やニッケル）が高い密度を持っているためです。もし系外惑星の密度が地球に近い値であれば、主に岩石や金属でできた「地球型惑星」である可能性が高いと考えられます。
- 木星のようなガス惑星: 木星の平均密度は約 1.3 g/cm³ です。これは地球よりずっと低い値です。木星はほとんどが水素やヘリウムといった軽いガスでできており、中心部に岩石や金属の核があるとしても、全体としてはガスが支配的なため密度が低くなります。もし系外惑星の密度が木星に近い、あるいはそれより低い値であれば、主にガスでできた「ガス惑星」であると考えられます。
- 天王星や海王星のような氷惑星: 天王星の平均密度は約 1.3 g/cm³、海王星は約 1.6 g/cm³ です。木星や土星と比べるとやや密度が高いですが、地球ほどではありません。これらの惑星は、水素やヘリウムのガス層の下に、水やアンモニア、メタンなどが凍った「氷」の層や、岩石・金属の核があると考えられています。密度がこれらの惑星に近い場合、主に氷や軽い元素で構成される「氷惑星」や「アイスジャイアント」と呼ばれるタイプかもしれません。
（表1：太陽系主要惑星の質量、半径、平均密度をまとめた表をここに表示することを想定）
スーパーアースやミニネプチューンの内部構造推測
「系外惑星の様々な種類を知ろう」の記事でも触れたように、系外惑星には太陽系にはない「スーパーアース」（地球より重いが海王星より軽い岩石惑星）や「ミニネプチューン」（海王星より軽く、ガスや氷が多いと考えられる惑星）といったタイプが多く見つかっています。
これらの惑星の内部構造を推測する際にも、質量と半径から計算される平均密度が非常に役立ちます。
例えば、質量が地球の数倍ある惑星が見つかったとします。 * もしその惑星の半径が地球の1.5倍程度で密度が高ければ、これは巨大な岩石惑星（スーパーアース）である可能性が高いと考えられます。 * もし質量は同じでも、半径が地球の2倍以上あって密度が低ければ、これは岩石の核の周りに厚いガスや氷の層を持つミニネプチューンである可能性が高いと考えられます。
同じ質量でも半径が大きく違うのは、物質の圧縮率の違いや、外層に軽いガスや氷の成分が多く含まれているためです。このように、質量と半径の組み合わせを見ることで、惑星が主に岩石でできているのか、それとも水や氷、あるいはガスが多いのかといった「中身」の候補を絞り込むことができるのです。
（図2：質量と半径の関係性から推測される惑星内部構造のタイプの違いを示した散布図イメージをここに表示することを想定。地球型、スーパーアース、ミニネプチューン、ホットジュピターなどの領域分けと、それぞれの内部構造の想像図を組み合わせる）
ただし、実際の惑星の内部は非常に複雑で、単に質量と半径だけで全てがわかるわけではありません。内部の温度や圧力、物質の正確な組成、さらに他の天体からの潮汐力なども内部構造に影響を与えます。そのため、密度から得られた情報をもとに、惑星の形成や進化の理論を組み合わせて、最も可能性の高い内部構造モデルを構築します。
系外惑星の内部構造を知ることの意義
系外惑星の内部構造を探る研究は、単に惑星の「中身」を知るだけに留まりません。そこから得られる情報は、以下のような様々な重要な問いに答える手がかりとなります。
- 惑星の形成と進化の理解: 惑星がどのような物質から、どのように集まってできたのかは、その後の内部構造に大きく影響します。内部構造の多様性を知ることは、惑星が形成されるメカニズムや、時間の経過とともにどのように変化していくのか（例：放射性元素による内部の熱、核の冷却など）を理解する上で不可欠です。
- 居住可能性との関連: 地球のようにプレートテクトニクスが活発な惑星は、気候を安定させる上で重要な役割を果たしていると考えられています。プレートテクトニクスが起こるためには、惑星の内部構造、特にマントルの状態が深く関わっています。内部構造の情報は、その惑星が生命を育む環境を持つ可能性があるかどうかを推測する上でも重要な要素となるのです。
- 太陽系の位置づけ: 太陽系外には、太陽系にはないタイプの惑星（スーパーアースやミニネプチューンなど）が多く存在します。これらの惑星の内部構造を調べることで、太陽系の惑星が宇宙全体の中でどのような位置づけにあるのか、なぜ太陽系はこのようになったのかといった疑問に答える手がかりが得られます。
まとめ
系外惑星の内部は直接観測できませんが、その質量と半径という比較的得やすい情報から計算される平均密度は、内部が主に岩石なのか、ガスなのか、あるいは氷が多いのかといった「中身」の構成を推測する重要な手がかりとなります。
密度が高い惑星は岩石や金属が豊富である可能性が高く、密度が低い惑星はガスや氷が多い可能性が高いと考えられます。この情報をもとに、惑星の形成理論などを組み合わせて内部構造のモデルが構築されます。
系外惑星の内部構造を探ることは、惑星がどのように生まれ、進化するのか、そして生命が存在しうる環境を持つ可能性があるのかどうかを理解する上で非常に重要な研究分野です。今後、さらに観測技術が進歩し、より多くの系外惑星の質量と半径が精密に測定されることで、その隠された内部構造の謎がさらに明らかになっていくことが期待されています。