系外惑星探査の隠れた立役者？ 地上望遠鏡の役割と成果
はじめに：宇宙望遠鏡だけではない系外惑星探査
「系外惑星」という言葉をニュースなどで耳にする機会が増えました。遠い宇宙に、地球とは全く異なる、あるいはもしかしたら似ているかもしれない新しい世界が見つかっているという事実は、私たちを大いに刺激します。これらの惑星の発見には、ハッブル宇宙望遠鏡やケプラー宇宙望遠鏡、TESS、そしてジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）といった高性能な宇宙望遠鏡が大きく貢献しているというイメージをお持ちの方も多いかもしれません。
確かに、宇宙望遠鏡は地球の大気の影響を受けずに高精度な観測を行えるため、系外惑星探査において非常に重要な役割を果たしています。しかし、系外惑星の研究は宇宙望遠鏡だけで成り立っているわけではありません。地球上に設置された大型の地上望遠鏡もまた、系外惑星の発見とその性質の解明に、宇宙望遠鏡とは異なる、あるいは連携する形で重要な貢献をしています。
この記事では、地上望遠鏡が系外惑星探査でどのような役割を担っているのか、どのような観測方法で成果を上げているのか、そして宇宙望遠鏡と比べてどのような強みや限界があるのかを、初心者の方にも分かりやすく解説します。
地上望遠鏡が系外惑星探査で果たす主な役割
地上望遠鏡は、その巨大な集光力や、観測の柔軟性を活かして、様々な観測方法で系外惑星を探査・研究しています。特に重要な役割は以下の通りです。
1. ドップラー分光法（視線速度法）による惑星の発見と質量の測定
系外惑星探査の初期から現在に至るまで、地上望遠鏡が最も大きな貢献をしてきた観測方法の一つが「ドップラー分光法」、あるいは「視線速度法」と呼ばれる方法です。
この方法は、恒星が惑星の重力によってわずかに「ふらつく」動きを検出するものです。惑星が恒星の周りを公転すると、恒星は惑星の重力に引かれてわずかに揺れ動きます。この揺れによって、恒星が地球から見て私たちに近づいたり遠ざかったりする速度（これを「視線速度」と呼びます）が変化します。
ドップラー効果をご存知でしょうか？救急車のサイレンの音が、近づくときは高く、遠ざかるときは低く聞こえる現象です。光にも同じようにドップラー効果があり、光源が近づくと光の色が青い方へ、遠ざかると赤い方へわずかにずれます（図：ドップラー効果と星のスペクトルのずれ）。
地上望遠鏡は、恒星から届く光を「スペクトル」と呼ばれる虹のような帯に分け、そこに含まれる特定の波長（色）のずれを高精度に測定します。この波長のずれから恒星の視線速度の変化を計算し、その変化の周期や大きさから、恒星の周りを回る惑星の存在や、その惑星の「質量」を知ることができるのです。
（図1：ドップラー分光法の概念図。惑星の公転に伴う主星のふらつきと、それに伴うスペクトル線のずれを模式的に示す）
ドップラー分光法は、特に木星のような質量の大きな惑星や、恒星に近い軌道を回る惑星の発見に威力を発揮します。多くの初期の系外惑星は、この方法によって地上望遠鏡で発見されました。質量の測定は、惑星が岩石でできているのか、それともガスが主成分なのかを知るために非常に重要です。
2. トランジット法で見つかった惑星候補の確認や精密観測
「トランジット法」は、系外惑星が主星の手前を通過する際に、主星の光がわずかに暗くなる現象（これを「トランジット」と呼びます）を捉える方法です。この方法は特に宇宙望遠鏡（ケプラーやTESSなど）によって多くの惑星を発見する主力となりました。
宇宙望遠鏡は広い視野で多くの星を同時に観測し、トランジットを起こす可能性のある天体（惑星候補）を多数見つけ出します。しかし、中には別の原因（例えば別の星がたまたま手前を横切ったなど）で光が暗くなっただけの「偽陽性」も含まれています。
ここで地上望遠鏡の出番です。地上望遠鏡は、宇宙望遠鏡が見つけた惑星候補が本当に惑星によるものなのかを確認するための追観測を行います。また、トランジット中の主星の減光を、地上からより詳細かつ多様な波長で観測することで、惑星の正確なサイズや軌道、さらには大気の情報を得るための貴重なデータを収集することもあります。
（図2：トランジット法の概念図。惑星が主星の手前を通過する様子と、観測される光の減光カーブを示す）
3. 大気の観測
系外惑星の大気の成分を調べることは、その惑星の環境を知り、さらには生命の可能性を探る上で非常に重要です。大気を調べる方法の一つに「透過スペクトル観測」があります。これは、トランジットの際に惑星の大気を透過した主星の光を分析する方法です。大気中に特定の分子（例：水蒸気、メタンなど）があると、その分子が特定の波長の光を吸収するため、透過後の光のスペクトルにその痕跡が現れます。
この透過スペクトル観測は、主に宇宙望遠鏡（特にJWST）の得意とするところですが、特定の波長域や、継続的なモニタリングが必要な場合には、地上大型望遠鏡による補足的な観測が行われることもあります。
地上望遠鏡の強みと限界
強み
- 集光力: 地上望遠鏡は宇宙に打ち上げる必要がないため、巨大なミラーを持つことができます。例えば、日本のすばる望遠鏡は口径8.2メートル、建設中の次世代望遠鏡ELTは口径39メートルにもなります。ミラーが大きいほど光をたくさん集められるため、遠くの暗い天体を詳細に観測するのに有利です。
- コストと運用: 宇宙望遠鏡に比べ、建設や運用にかかるコストを抑えることができます。また、機器の修理やアップグレードも比較的容易です。
- 観測時間の確保: 世界各地に多数の大型地上望遠鏡が存在するため、研究者は観測時間を比較的確保しやすく、特定の現象（例：短い周期のトランジット）を集中的に追跡するといった柔軟な観測計画を立てやすい場合があります。
限界
- 地球大気の影響: 地上にあるため、どうしても地球の大気の影響（光の吸収、散乱、揺らぎ）を受けてしまいます。特に、惑星の大気成分を探る際に重要な赤外線などは大気に吸収されやすい波長です。また、大気の揺らぎは星像をぼやけさせ、分解能を低下させます。
- 天候: 雲や雨、風といった天候に左右されるため、常に観測できるわけではありません。
これまでの成果と今後の展望
地上望遠鏡、特にケック望遠鏡やすばる望遠鏡、VLT（超大型望遠鏡）のような大型望遠鏡は、ドップラー分光法を用いて数多くの系外惑星（特に巨大ガス惑星や主星に近い惑星）を発見してきました。最初の系外惑星候補の一つであるペガスス座51番星bも、スイスの地上望遠鏡でドップラー分光法により発見されたものです。また、宇宙望遠鏡が発見した地球サイズの惑星候補の質量を、地上望遠鏡がドップラー分光法で測定し、その惑星が岩石でできている可能性が高いことを示すといった重要な連携研究も行われています。
今後、建設が進むELT（ヨーロッパ超大型望遠鏡）やGMT（ジャイアント・マゼラン・テレスコープ）といった次世代の超大型地上望遠鏡は、さらに高い精度でドップラー分光法を行い、より小さな（質量の小さい）惑星の発見や質量測定を可能にすると期待されています。また、補償光学（Adaptive Optics）という大気の揺らぎをリアルタイムで補正する技術の発展により、地上から直接惑星を撮影する「直接撮像法」でも、地上望遠鏡の役割がますます大きくなる可能性があります。
まとめ
系外惑星探査は、宇宙望遠鏡と地上望遠鏡が互いの強みを活かし、弱点を補い合いながら進められています。宇宙望遠鏡が広範囲かつ高精度なサーベイ観測で惑星候補を多数見つけ出す一方で、地上望遠鏡はドップラー分光法で惑星の質量を測ったり、トランジット候補の確認や詳細な追観測を行ったりすることで、発見された惑星の素顔を明らかにする上で不可欠な役割を果たしています。
地上望遠鏡は、これからも系外惑星という未知の世界の扉を開き、私たちの宇宙観を広げる上で重要な貢献を続けていくでしょう。宇宙望遠鏡の華々しい成果の影には、地球上で夜空を見上げ続ける大型地上望遠鏡の地道かつ重要な観測があることを、ぜひ覚えておいていただければ幸いです。