今日の天文学で最もエキサイティングなトピックの 1 つは、系外惑星、つまり太陽系外の惑星の探索です。これまでに 5,000 個以上の系外惑星が発見されており、毎年さらに多くの系外惑星が発見されています。そして、系外惑星研究の聖杯は、私たちの惑星以外の生命を探すことができる居住可能な惑星を見つけることです。
天文学に興味がある人なら、おそらく NASA のケプラー宇宙望遠鏡やトランジット系外惑星探査衛星 (TESS) などのミッションによって に関するニュースの見出しを見たことがあるでしょう。これらの惑星は通常地球に似ており、表面に液体の水がある可能性があり、潜在的に生命が存在する可能性があると考えられています。しかし、何百万マイルも離れたところからその惑星が居住可能かどうかをどうやって判断できるのでしょうか?そもそも、居住可能とは正確には何を意味するのでしょうか?
私たちはプエルトリコ大学アレシボ校の惑星居住可能性研究室の居住可能性の専門家、アベル・メンデス氏に話を聞きました。彼は、居住可能性はあなたが思っているよりもはるかに複雑であると教えてくれました。
居住性は二値的ではない
ほとんどの人は居住可能性について、あたかもそれが二項対立の状態であるかのように話します。惑星は居住可能か、そうでないかのどちらかです。しかし、この問題を深く考えてみると、この定義が当てはまらないことは明らかです。居住可能とは、人間の生命を維持できるという意味でしょうか?それとも微生物の生命？それは人生が成功するのに快適な環境であるということですか、それとも生存は困難だが理論的には可能であるということですか？私たちは、その環境で生命が進化した可能性があるということを意味しているのでしょうか、それとも生命がそこに到着したとしても生き残ることができるということを意味しているのでしょうか？
これらの質問に対する明確な答えはありません。だからこそ、居住可能性を「はい/いいえ」の質問として考えるのは間違いです。代わりに、特定の種類の生活への適合性の尺度として居住性について考えるべきです。
この混乱は一般の人々の間だけではありません。メンデス氏は、居住可能性が何を意味するかについても科学者の間で合意が得られていないと述べた。これは「重みのある言葉だ」と彼は言う。「なぜなら、私たちの普段の会話では、居住可能性は人間にとっての居住可能性を意味するからです。」しかし、他の惑星を見ているとき、私たちは人間だけではなく、他の種類の生命についても考えることになります。
宇宙生物学者は系外惑星の居住可能性について常に疑問を抱いていましたが、数十年にわたって居住可能性について考えてきた別のグループが存在することが判明しました。それは生態学者です。生態学者は、地球上の環境の「生息地適合性」、つまり、特定の種類の生命が繁栄するための特定の環境の適合性について話します。それはまさに、宇宙生物学コミュニティが系外惑星研究で達成しようとしていたことだ。
このテーマの研究の初期に、メンデス氏はこの生態学の研究に出会いました。「宇宙生物学の分野の人々がやろうとしていたこと、つまり居住可能性を定義し定量化することは、すでに数十年前に生態学者によって行われていたことに気づきました。」と彼は言いました。
ハビタブルゾーンについてはどうですか？
したがって、問題は、系外惑星が居住可能かどうかを決定することではなく、むしろ、どのような特徴がその惑星を生命の種類に適したものにするかを決定することである。
比較的簡単に始めることができるのは、液体の水が入手できるという要件からです。 液体の水は、その溶媒特性により、私たちが知っているほとんどすべての生命体にとって不可欠です 。水には多くのものが溶けるため、物が混ざり合って化学反応が起こるのに適しています。また、酵素の機能にも重要な役割を果たします。したがって、科学者が居住可能な系外惑星の要件を想像するとき、利用可能な液体の水の確保がリストの最上位にあります。
これが「ハビタブルゾーン」という考え方です。これは、惑星がその表面に液体の水を持つのに適した温度にあると推定される恒星の周囲の領域です。もし私たちが 発見できたとしたら、生命を探すための良い出発点が見つかったことになるでしょう。
ただし、ハビタブルゾーンにいることが居住可能性のすべてではありません。それは基本的な要件の 1 つにすぎません。そしてメンデス氏は、この用語は「多くの混乱」を引き起こしていると述べ、天文学者は惑星がハビタブルゾーンにあるという意味でその惑星が居住可能であると言うことが多いためであると述べた。彼は、これが決着した問題からはほど遠いことを明確にするために、「居住可能な可能性がある」という用語を好んでいます。
居住性の要因
はい、液体の水は必須です。惑星が生命を育むためには他に何が必要でしょうか?私たちは地球上の生命体に基づいてそれをしっかりと理解しています。系外惑星の居住可能性を評価する場合、宇宙生物学者は惑星の質量と半径、表面温度、圧力、水で覆われている惑星の割合などの要素について知りたがります。
特定の系外惑星についてこれらの要因を決定することは困難です。現在発見されているほとんどの系外惑星について、公転周期、半径または質量、主星から受ける放射線の量である星束などの要素を知ることができます。しかし、たとえばそれらの表面温度や圧力を知るには、その大気について知る必要があります。
その理由を知るには、私たちの太陽系を見てください。金星は水星よりも太陽から遠いにもかかわらず、太陽系の中で最も高い表面温度を持っています。それは、金星には非常に厚い大気があり、熱が閉じ込められ、表面温度が上昇するためです。私たちの太陽系を観察している宇宙人の宇宙生物学者は、遠くからでは金星の温度が分からないため、金星がどれほど高温であるかを知らないかもしれません。
ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のような望遠鏡による将来の研究により、 についてさらに詳しく知ることができるようになりますが、現時点では科学者は表面温度を推定する必要があります。
水で覆われた表面の量も重要です。海洋部分と呼ばれるこれは重要です。なぜなら、 海洋の動的な性質により、 惑星の周りに栄養素を運び、その場所を生命にとってより住みやすい場所にするのに優れているからです。
現在、系外惑星の海洋部分を測定できる機器はありません。しかし、系外惑星が回転するにつれて反射する光の量がどのように変化するかを観察できる 将来の望遠鏡のアイデア があり、それによってその表面を覆う海洋の量がわかる可能性があります。
これらの要因を決定する際の複雑さにもかかわらず、メンデス氏は、系外惑星科学は非常に急速に発展しており、今後 20 年以内にそれらを測定できるようになるだろうと考えています。 「さまざまな機器で大気を測定するには10年、次に惑星を個別に観察して海洋の割合を測定できる新しい望遠鏡を開発するには10年かかる」と彼は予測した。
居住可能な可能性のある系外惑星のカタログ
今後数十年で系外惑星をこれほど詳細に研究できるようになるのは興味深いことですが、科学者たちは潜在的に居住可能な系外惑星を今すぐに研究したいとも考えています。そのため、メンデス氏のグループは、これまでに発見された居住可能な系外惑星のすべてのリストである 「居住可能系外惑星カタログ」 を管理しています。
カタログに掲載されるには、惑星がほぼ地球サイズで、その星のハビタブルゾーン内を周回している必要があります。しかし、これらの系外惑星についてまだ知ることができない多くの要因を考慮して、地球サイズの平均には 2 つの異なる基準があります。このカタログには、地球の半径の 1.6 倍または質量の 3 倍までの惑星が含まれる保守的なリストと、地球の半径の 2.5 倍または質量の 10 倍までの惑星が含まれる楽観的なリストの両方が含まれています。
今のところ、潜在的な居住可能性に関する最も基本的な基準を満たす、私たちが特定できる系外惑星の数は依然として少ないです。
それは、私たちが潜在的な居住可能性を探すとき、ガス惑星ではなく、地球のような岩石惑星を探しているからです。巨大ガス惑星のような低密度の系外惑星は、生命に必要な栄養素を保持するのが苦手なため、生命には適していません。これは、地球上の雲の中に生命が見つからないのと同じ理由です。地球の約2倍までの大きさの惑星は岩石惑星になりますが、それより大きい惑星はミニ海王星やガス矮星と呼ばれるタイプの可能性があり、生命が存在する可能性は低いです。
確認されている系外惑星が 5,000 個 を超えるため、カタログには居住可能性の候補が何百個もリストされていると想像するかもしれませんが、実際にはその数は比較的少なく、保守的なリストには 21 個、楽観的なリストにはさらに 38 個しかありません。
リストが簡潔なのは、多くの系外惑星検出方法が、小さな系外惑星よりも大きな系外惑星を見つけるのに優れているため、つまり、一般に、より大きなものを発見するのが簡単であるためである可能性があり、一部の研究では 、地球に似た惑星が数十億個存在 する可能性があることが示唆されています。私たちの銀河系。しかし今のところ、居住可能性の最も基本的な基準を満たす系外惑星の数は依然として少ない。
今どこで人生を探すべきか
もちろん、私たちが知っている限り、居住可能な可能性のある系外惑星がほとんどないという事実は、他の場所で生命を探すことを諦めるべきだという意味ではありません。 のようなシステムがあると、ある意味、研究目標の決定が容易になります。TRAPPIST-1 には、居住可能な可能性のある系外惑星が 4 つあると考えられており、 ジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡 の今後の科学研究の重要な目標となります。 。
居住可能性に関するこれらの議論はすべて、宇宙の他の場所に生命が存在する場合、それは少なくともここ地球上の生命に匹敵するだろうという考えに基づいています。私たちが水や特定の栄養素の必要量について話すとき、私たちは地球上で観察した生命に基づいています。私たちは、私たちが知っているような生命が他の場所にあると想定していますが、まったく異なる形の生命がどこかに存在する可能性は確かにあります。
科学者はこの可能性を認めていますが、研究には実際には役に立たないため、この概念をあまり考慮する傾向がありません。 「私たちが生命を知らないのと同じように、あなたも生命を認識できないでしょう」とメンデス氏は指摘しました。したがって、それは私たちが探すことができるものではありません。
私たちの太陽系で生命を探しています
一部の研究者は、系外惑星に目を向けるのではなく、私たちの太陽系内に潜在的に居住可能な世界、つまり土星の衛星エンケラドゥスや木星の衛星エウロパのような場所を探すことができると主張しています。太陽から遠すぎて表面に液体の水が存在しないにもかかわらず、どちらも氷の地殻の下に液体の塩水の海があると考えられています。
しかしメンデス氏は、氷の地殻のせいで、これらの場所が生命にとって非常に有望な場所であるとは確信していない。これらの地殻は大気へのアクセスを遮断し、地表からのエネルギー伝達を妨げるため、地表は生命の維持にあまり適していません。 「それは私たちの地球の深海よりも悪いです。それは地球上のどんなものよりもはるかに悪いです」と彼は言いました。 「そこには微生物以上のものは生息しないと思います。」
地球の外で微生物の生命体を発見するだけでも非常にエキサイティングな出来事となるため、探査機パーサヴィアランスのようなミッションの目的は、火星の古代生命体の証拠を探すことである。しかし、過去のある時点ではそうであった可能性もありますが、今日の火星は必ずしも親切ではありません。火星の環境に関する居住可能性の研究は、今日そこに生き残るものが存在することを約束するものではなく、生命の維持に関して「火星の表面はアタカマ砂漠よりも千倍悪いと我々は推定している」とメンデス氏は語った。
火星へ
火星の乾燥した環境については懸念を抱いているにもかかわらず、メンデス氏は、生命が存在する場合、どこでその証拠が見つかるかについては現実的だ。 「生命がどこで見つかるか賭けなければならないとしたら、私は火星に賭けます」と彼は言いました。「私は系外惑星のほうが大好きですが！」それは検出の問題のためです。惑星が潜在的に居住可能であるだけでなく、実際に生命が存在することを知りたければ、証拠が必要です。そして、その証拠を遠くから得るのは非常に困難です。
今後数十年以内に火星へのサンプル帰還ミッションが計画されており、研究のために火星の一部を地球に持ち帰る競争が続いている。これらのサンプルは、生命を確実に検出するための最良の機会です。 「地球上にサンプルがあれば、明確な答えが得られます。なぜなら、非常に少量の微生物を探しているからです」と彼は説明した。
夢の研究シナリオは、 帯水層 など、地球の基準で居住可能な火星の環境からサンプルを収集することです。このような環境で生命の証拠が見つかったら、それは素晴らしいことです。生命が存在するのは私たちの惑星だけではないことがわかったことでしょう。
しかしメンデス氏は、そのような環境で生命の痕跡が見つからなければ、同様に興味深いだろうと言う。 「もし地球上の基準で居住可能な場所が見つかって、そこに生命が存在しないとしたら、それは驚くべきことであり、興味深いものになるだろう」と彼は言う。 “何が悪かったのか？どうしたの？なぜ命がないのですか？」地球上の非常に多様な環境に生命が存在し、地球と火星が衝突を通じて物質を共有してきたことがわかっていることを考えると、生命が私たちの惑星に限定されているとしたら、それは確かに奇妙です。
「生命を発見できれば素晴らしい啓示となるだろうが、否定的な結果はさらに深刻なものになるだろう」とメンデス氏は語った。 「ここで道を間違えるわけがない。それは双方にとって有利な状況です。答えは火星にあり、すぐそこにあります。そして、どの答えも奥深いものです。」