系外惑星の大気はどうやって調べる？｜トランジット分光法と吸収スペクトルの物理

2026年3月11日

現在、太陽系以外の恒星を公転する「系外惑星」は、5,500個以上発見されています。ニュースなどではしばしば、「地球から40光年先の惑星に水蒸気の大気を確認」といった報道がなされます。

ここで一つの疑問が生じます。人類はまだ、太陽系の隣の恒星系にすら探査機を到達させられていません。望遠鏡で覗いても、系外惑星は恒星（自ら光る星）の強烈な光に紛れ、直接その姿を見ることは極めて困難です。

それにもかかわらず、なぜ「そこに水がある」「二酸化炭素がある」という大気の成分まで予想できるのでしょうか。

この現象の裏には、「トランジット現象」という天文学的な位置関係と、「光の吸収スペクトル」という明確な物理法則が存在します。今回は、遠く離れた惑星の空気を読み解く物理構造を解説します。

観測の基本構造：トランジット（食）を利用する

トランジット法の光量変化図解 — Image Credit: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI), Andi James (STScI), Gregory Bacon (STScI)

系外惑星の大気を調べるための大前提となるのが、「トランジット法」と呼ばれる観測手法です。

1万分の1の明るさの低下を捉えるスケール感

ここで、宇宙のスケール感を確認しておきましょう。太陽のような恒星の前を、地球と同じサイズの惑星が横切ったとします。この時、恒星の明るさはわずか「0.01%（1万分の1）」しか暗くなりません。木星のような巨大ガス惑星であっても、暗くなるのは約1%です。

現代の宇宙望遠鏡は、このわずかな明るさの低下を長期間にわたって精密に測り続けることで、「そこに惑星が存在し、公転していること」を割り出しています。しかし、これだけでは「大気の成分」まではわかりません。成分を知るためには、光をさらに細かく分解する物理学のアプローチが必要になります。

物理的核心：大気をすり抜けた光を「分光」する

惑星に大気（ガスの層）が存在する場合、トランジットの際に非常に興味深い物理現象が起きます。

恒星の光の大部分は、惑星の岩石やガスの本体に遮られます。しかし、惑星のフチのわずかな領域——つまり「大気の層」を通過した光だけは、大気をすり抜けて地球へ向かって飛んできます。

この大気をすり抜けた光に、「トランジット分光法（Transmission Spectroscopy）」という分析をかけます。これが大気成分を特定する核心です。

物質はそれぞれ「特定の色の光」を吸収する

光をプリズムに通すと、波長ごとに分かれた虹色の帯になります。これをスペクトル（光の波長分布）と呼びます。ここで、量子力学における重要な物理法則が登場します。それは「原子や分子は、それぞれ決まった波長（色）の光だけを吸収する」という性質です。

Earth-like Exoplanet’s Transmission Spectrum — Image Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, Joseph Olmsted (STScI)

例えば、水（H₂O）の分子は、ある特定の波長の赤外線を強く吸収します。二酸化炭素（CO₂）やメタン（CH₄）も、それぞれ全く異なる「自分専用の波長」の光を吸収する性質を持っています。これは、分子を構成する原子同士の結合が、特定のエネルギー（光の波長）と共鳴して振動するためです。

吸収スペクトル：波長の「欠け」が指紋になる

恒星から放たれた光が惑星の大気を通過する際、大気の中に水蒸気が含まれていれば、光のスペクトルのうち「水が吸収する波長」の光だけが、大気に吸い取られて暗くなります。

地球に届いた光を精密なプリズムのような装置（分光器）で波長ごとに分け、どの波長の光がどれくらい減っているかを示す「吸収スペクトル」を調べます。もし、特定の波長の光がピンポイントで欠けていれば、それは「光が通過してきた道筋に、その波長を吸収する特定の分子が存在した」という揺るぎない証拠（指紋）となるのです。