ESAのGaiaミッションは、約10億個の恒星を複数回測定することで、恒星の位置と速度を極めて高精度にマッピングした。これにより、今後何年にもわたって科学的な成果をもたらす天の川銀河の巨大な3次元地図を作成した。Gaiaは天体の位置と運動を研究する天体位置測定学に基づいている。
Gaiaはまた、いくつかの惑星を暫定的に検出しており、新たな視線速度研究によって、そのうちの1つの存在が確認された。この惑星は系外惑星科学において重要な異常値となっている。
Gaiaは惑星探索機として設計されていなかったが、それでも惑星を発見した。探査機は恒星の測定用に作られていたため、発見された惑星は質量が大きく、低質量の恒星を周回している。これらの惑星は恒星を引っ張り、Gaiaはその恒星のふらつきを検出することができる。ただし、確認には追跡観測が必要であった。
研究者たちは、NSFのKittピーク国立天文台のWIYN 3.5メートル望遠鏡に搭載されたNEID分光器を使用して、視線速度によりこれらの恒星のふらつきと、それを引き起こす惑星および褐色矮星を測定した。その結果は『The Astronomical Journal』に掲載された論文で発表された。論文のタイトルは「Gaia-4bと5b：Gaia位置天文学的軌道解の視線速度による確認により、低質量星を周回する巨大惑星と褐色矮星が明らかに（Gaia-4b and 5b: Radial Velocity Confirmation of Gaia Astrometric Orbital Solutions Reveal a Massive Planet and a Brown Dwarf Orbiting Low-mass Stars.）」である。筆頭著者はアムステルダム大学のAnton Pannekoek天文学研究所のGudmundur Stefanssonである。
最新のGaiaデータリリースには、Gaia位置天文学的興味対象（Gaia-ASOIs）のリストが含まれている。これらは系外惑星の影響を受けているかのように動いているように見える恒星である。
プレスリリースで、筆頭著者のStefanssonは次のように述べている。「しかし、これらの恒星の動きは必ずしも惑星によるものではありません。その『恒星』は、Gaiaが別々の天体として認識するには近すぎる恒星のペアかもしれません。惑星によるものと思われる位置の微小なずれは、実際には2つの恒星の位置のより大きなずれがほぼ完全に相殺された結果かもしれません」。
追跡分光観測は、Gaiaにはできない、対象が連星なのか、恒星とその周回惑星なのかを判断することができる。研究者たちは、NEID分光器と、Habitable-zone Planet Finderおよび FIES分光器という2つの分光器を使用して追跡観測を実施した。視線速度法では、近傍の惑星が恒星を引っ張ってふらつきを引き起こす際の、恒星からの青方偏移光と赤方偏移光を分光器で測定する。これには極めて高い精度が必要で、これら3つの分光器はすべてその能力を備えている。
研究者たちは、Gaiaが系外惑星候補を検出した28の恒星系を調査した。
結果によると、21の恒星系には恒星以下の質量の伴星は存在しない。これらの21の系は連星系である。他の5つは結論が出ておらず、確認または否定するにはさらなる観測とデータが必要である。
しかし、21のうち2つは確認された：1つは現在Gaia-4bと名付けられた系外惑星で、もう1つはGaia-5bと名付けられた褐色矮星である。
Gaia-4bは約11.8木星質量の巨大な系外惑星である。0.644太陽質量の恒星の周りを571日周期で公転している。これはGaiaによって発見された最初の確認された系外惑星という特徴を持つ。また、低質量星を周回する中で今まで検出された最も質量の大きい惑星の1つでもあり、これはGaiaの観測方法に内在するバイアスを反映している。
「NEIDとGaia両方にとって、エキサイティングな時期です」とNSF NOIRLabの科学者で論文の共著者であるJayadev Rajagopalは述べた。「Gaiaは高精度な位置天文学により恒星の惑星伴侶を検出するという約束を十二分に果たしており、NEIDは長期的な視線速度精度でそれらの恒星周りの低質量惑星を検出できることを実証しています。最後の約1年分のデータが分析されるにつれて、より多くの惑星候補が出てくることが予想され、この研究は、Gaiaによる惑星と褐色矮星の発見をNEIDのデータで確認または否定する必要がある将来の先駆けとなっています」。
Gaia-5bは惑星質量と恒星質量の中間に位置する褐色矮星である。Gaia-5bは約21木星質量で、約0.34太陽質量の恒星の周りを高い離心率で358日周期の軌道を周回している。
この研究は、系外惑星と褐色矮星の検出におけるGaiaの位置天文学的能力の有効性を強調している。また、位置天文学と視線速度分光法という異なる観測技術が、より確実な結果を得るために協力できることを示している。これらの手法を組み合わせることで、例えばトランジット法と比較して、より広範な恒星以下の質量の伴星とその軌道特性を見つけることができる。
ESAのAna Herasは別のプレスリリースで次のように述べている。「惑星がどのように形成されるかを理解したいのなら、惑星系全体がどのように構成されているかを把握する必要があります。現在、ほとんどの系についての我々の視野は部分的なものにすぎません。なぜなら、それぞれの検出技術が特定の惑星サイズと軌道周期の範囲でしか効果的ではないからです。惑星系がどのようなものかを理解し、私たちの太陽系を文脈の中で位置づけるためには、すべての技術とデータを組み合わせることが重要です」。
Gaia-4bは系外惑星発見において異常値である。このような低質量の恒星の周りにこれほど質量の大きい惑星を見つけることは、我々の惑星形成理論にとって大きな試練となる。「恒星の質量に関して言えば、巨大惑星の出現頻度は恒星質量が減少するにつれて減少することが知られています」と著者らは論文で述べている。「これは、質量の小さい恒星ほど、原始惑星系円盤の質量も小さい傾向にあることと関連付けられています。」GaiaとNEID分光器、その他の施設がこのような巨大惑星をさらに発見し確認できれば、研究者たちはそれらがどのように形成されるかを理解する上で進展を遂げられるかもしれない。
天文学者たちは、Gaiaのデータからさらに多くの巨大な系外惑星と褐色矮星を発見し、NEIDなどの分光器でそれらの一部を確認することを期待している。Gaiaの観測方法により、データにはさらに多くの「異常値」が存在する可能性が高い。これらの異常値は、惑星形成と太陽系の構造を理解するために必要とされている。
「これらの検出は、Gaiaによって近い将来に期待される惑星と褐色矮星の成果の氷山の一角を表しており、中間的な軌道周期における数多くの巨大惑星の質量と軌道構造について重要な洞察を可能にします」と著者らは結論付けている。
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