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地球を超えた生命を探す:ハビタブル太陽系外惑星の探索

地球を超えた生命を探す:ハビタブル太陽系外惑星の探索


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宇宙の他の場所で知的な生命を発見することはどのようなものでしょうか?たぶん、私たちは皆、いつかそれについて考えてきました。そして何世代にもわたって、世界で最も偉大な科学者たちは、それを見つける可能性と、それがどのような形をとるかについて推測してきました。

私たちは表面をかろうじて引っかいただけですが、私たちは宇宙の他の場所での生命の探求において極めて重要な時期にいます。これは主に、現代の望遠鏡が何千もの太陽系外惑星(または単に太陽系外惑星)を発見することを可能にした方法によるものです。

確認された太陽系外惑星の数が増えるにつれ、焦点は発見から特性評価へとゆっくりとシフトしています。言い換えれば、私たちは多くの遠い世界を見つけました、今私たちはそれらのどれが実際に生命を支えることができるかもしれないかを決定しようとしています。

今後数年間で、私たちはさらに多くの惑星に立ち向かい、私たちがすでに知っている惑星について多くを学びます。しかし、最初に、いくつかのことを明確にする必要があります。その中でも特に用語があります。

太陽系外惑星とは何ですか?

太陽系外惑星(略して太陽系外惑星)という用語は、私たちの太陽系を超えている惑星を指します。何世紀にもわたって、天文学者は他の星の周りの惑星の存在について推測してきました。しかし、最初に確認された発見がなされたのは、1980年代後半から1990年代初頭になってからでした。

最初に発生したのは1988年で、カナダの天文学者であるブルースキャンベル、G。A。H.ウォーカー、スティーブンソンヤンが、地球から約45光年離れたオレンジ色の矮星であるケフェウス座ガンマ星を周回する惑星の検出を発表しました。しかし、この発見は2003年まで確認されませんでした。

1992年1月9日、電波天文学者のアレクサンデルヴォルシュツァンとデールフレイルは、PSR 1257 + 12を周回する2つの惑星(2,300光年離れたパルサー)の発見を発表しました。フォローアップ観測によりこれらの結果が確認され、1994年に3番目の惑星が確認されました。

太陽系外惑星はいくつ見つかりましたか?

現在までに、天文学者は私たちの太陽系を超えて4,131の惑星の存在を確認しました。これらのうち、大多数は海王星のようなガス巨人(1,385)、木星のようなガス巨人(1,299)、スーパーアース(1,280)の組み合わせでした。地球に似た大きさの岩石惑星(別名「地球のような」)は161個だけです。

私たちが発見したすべての惑星のうち、生命を支えることができると特定されたのは55個だけです。これは、天文学者が「潜在的に居住可能」と呼んでいるものです。これらのほとんど(34)はスーパーアースから「ミニネプチューン」の範囲に分類され、20は地球に類似しており、1は火星とほぼ同じサイズでした。

これらの発見はすべて30年余りで行われたことを考えると悪くありません。しかし実際には、ほとんどは2009年以降に発見されました。 ケプラー宇宙望遠鏡 が発売されました。それ以来、多くのミッションがこの印象的な遺産に基づいて構築されており、さらに多くのミッションがまだ来ていません...

「地球のような」とはどういう意味ですか?

簡単に言えば、地球のような惑星は、構造と構成が地球に似ていると信じられている惑星です。地球は主に、ケイ酸塩地殻とマントルと金属コアとを区別するケイ酸塩鉱物と金属で構成されています。

このタイプの惑星の専門用語は「地球型」ですが、天文学者はしばしば「岩石」という用語を使用して、巨大ガス(主に水素とヘリウムで構成され、いくつかの重い元素がコアに集中している)と区別します。

構造と構成を超えて、「地球のような」はまた、惑星が地球と同様の条件を持っていることを意味することを意味します。これには、その表面に厚い大気と液体の水が存在することが含まれます。

「潜在的に居住可能」についてはどうですか?

この用語はまた、太陽系外惑星の主題が登場するたびに、近年多くの使用が見られています。それが指すのは、「ゴルディロックゾーン」と呼ばれることもある、星のハビタブルゾーン(HZ)内を周回していることがわかった太陽系外惑星です。

関連:「ハビタブルゾーン」とは何を意味し、どのように定義しますか?

このゾーンは、星を周回する惑星がその表面に液体の水を維持できる距離に対応します。言い換えれば、惑星の表面温度は0から100°C(32から212°F)の範囲になります。星のHZの範囲は、問題の星のタイプに大きく依存します。

たとえば、O、B、Aタイプの星(別名「青色巨星」)は、他のどのクラスの星よりも大きく、明るく、高温であるため、ハビタブルゾーンが広くなっています。しかし、それらは比較的まれであり、私たちの銀河の星の約3,000,000分の1(Oタイプ)、800分の1(Bタイプ)、および160分の1(Aタイプ)を占めています。

F型星は、色が青白で、一般に太陽の数倍の明るさと重さしかない星です。これらの星はより一般的で、私たちの銀河の約3%(80分の1)の星を構成しています。

次に、G型とK型(黄色とオレンジ色の矮星)の星があり、これらは私たちの恒星の近隣にある星の約7.5%(13分の1)と12%(8分の1)を構成しています。私たちの太陽はG型星の例であり、これらとK型は比較的タイトで狭いハビタブルゾーンを持っています。

最後に、M型(赤色矮星)として知られている低質量、より涼しく、より暗い星があります。これらの星は宇宙で最も一般的なタイプであり、私たちの銀河だけで星の約85%を占めています。通常、それらは太陽のサイズと質量の約7.5〜60%であり、明るさはわずか7%です。その結果、それらのハビタブルゾーンはかなり狭く、非常にタイトです。

さて、これですべてがカバーされたので、これらの惑星をどのように探すか、そして何を探しているかという問題に移りましょう。

太陽系外惑星をどのように検索しますか?

太陽系外惑星を検出するための最も一般的で効果的な方法は、トランジット法(トランジット測光)として知られています。これは、遠方の星の明るさの周期的な低下を監視することで構成されます。これは、惑星が観測者に対して星の前を通過する(別名通過する)結果である可能性があります。

この方法は、惑星のサイズと公転周期に関する情報を提供するのに非常に効果的です(ただし、質量ではありません)。明るさの低下は、天文学者に惑星の直径の良い考えを与えるだけでなく、タイミングはそれがその星をどれだけ速く周回しているか(そしてどのくらいの距離)を示します。

太陽系外惑星を探すもう1つの信頼性の高い手段は、視線速度法(ドップラー分光法)として知られています。これには、スペクトルの変化について星を観察することが含まれます。これは、星と1つまたは複数の惑星との間の重力相互作用の兆候です(これにより、星は「ぐらつき」ます)。

基本的に、星が観測者から遠ざかるとき、その光はスペクトルの赤い端に向かってシフトします。星が遠ざかるとき、その光はスペクトルの青い端に向かってシフトします。この「赤方偏移」と「青方偏移」により、天文学者は星が動いていることをすばやく判断できます。

この方法は、星の「ぐらつき」が惑星系の質量に正比例するため、惑星の質量(サイズや軌道ではない)の推定値を提供するのに非常に役立ちます。

アインシュタインが一般相対性理論で明らかにしたように、巨大な物体(星、銀河、銀河団など)は空間の構造を歪めます。この効果により、大きな重力場の存在下で光が曲がったり拡大したりします。何十年もの間、天文学者はこの効果を使って遠くの天体を研究してきました。

太陽系外惑星に関しては、天文学者は重力マイクロレンズ法として知られているこの技術のわずかなバリエーションを使用します。この場合、星または惑星の重力を使用して、より遠い星の光に焦点を合わせて拡大します。これにより、軌道を回る惑星を簡単に見つけることができます。

直接的なアプローチ、別名もあります。太陽系外惑星が星を周回するときに反射する光を観測することで構成されるダイレクトイメージング。この光のスペクトルを調べることにより、天文学者は彼らの大気の組成をよく理解することができます。

残念ながら、この方法は、遠く離れた巨大な星を周回する特に巨大な惑星(ガス巨星)が関与している場合にのみ効果的です。星の近くを周回する(地球に似た)小さくて岩の多い惑星の場合、星の光は大気から反射したものをすべて消し去ります。

天文学者が低質量の星の周りの軌道がより狭い小さな惑星を観測できるようにする多くの進歩がなされています。これらには、より大きな鏡、より高い解像度、補償光学を備えた天文台、および星の光を遮ることができるコロノグラフと宇宙船が含まれます。

現在までに、発見された太陽系外惑星の大部分は、トランジット法(76.3%)を使用して検出され、続いて視線速度法(19.2%)、マイクロレンズ法(2.1%)、直接イメージング(1.2%)が検出され、残りは他のさまざまな方法を使用して発見された。

居住性をどのように判断しますか?

明確にするために、惑星が岩だらけであるかどうか、そしてそれが星のHZ内を周回するかどうかを単に知ることは、惑星が確実に居住可能であることを意味しません。したがって、天文学者が候補を説明するときに、世界の前に「潜在的に」修飾子を付けるのはなぜですか。

そうは言っても、惑星の軌道と性質は、「私たちが知っているように」生命を探すための良い出発点です。ここにもう1つの重要な修飾子があります。科学者たちは、宇宙で生命(地球)とここに存在するさまざまな種類の生命を支えることができる惑星を1つだけ知っています。

この点で、太陽系外惑星ハンターは「生命存在指標」として知られているものに目を光らせています。これらは、生命に必要であるか、過去/現在の生命の存在に関連する化学物質と元素の明確な指標です(これも私たちが知っているように)。

地球をテンプレートとして使用すると、私たちが知っているように、生命は窒素ガスの大気バランス(N2)、酸素ガス(O2)、二酸化炭素(CO2)および水蒸気(H2O)。しかしもちろん、地球は45億年前に形成されて以来、かなり進化してきました。その間に、生命も進化しました。

酸素ガスは、地球上の生命に不可欠であるだけでなく、光合成の副産物でもあるため、優れた指標です。そういえば、二酸化炭素(CO2)は光合成生物(植物やバクテリア)に不可欠であり、温度を安定させるのに効果的な温室効果ガスです。

それからあなたはオゾンを持っています(O3)、有害な放射線から生命を保護するのに役立つ地球の大気の重要な部分。メタンもあります(CH4)、嫌気性微生物代謝(別名メタン生成)の副産物である有機分子。

水素ガス(H2)は温室効果ガスとして機能する可能性があるため、別の指標であり、火山活動とプレートテクトニクス(ここ地球上の生命に不可欠であると考えられている)の可能性のある指標です。また、水が紫外線にさらされるときに発生するプロセスである光分解の副産物でもあります。

これにより、水分子が水素ガスと酸素ガスに分解されます。水素ガスは、酸素ガスが大気の一部として保持されている間、宇宙に逃げます。言い換えれば、水素ガスの存在は、惑星の表面に水があることを示しています。

他の化学物質には亜酸化窒素(N2O)、塩化メチル(CH3Cl)、アンモニア(NH3)、エタン(C2H6)、およびさまざまな硫化物-これらはすべて生物学的プロセスに関連しています。科学者は、太陽系外惑星の大気から得られたスペクトルを研究することによって、これらの元素を探します。

「意志」という言葉の使用に注意してください。現在、私たちの機器は、太陽系外惑星の大気からスペクトルを取得することはできません。少なくとも、星の近くを周回する小さな岩の多い(「地球のような」)惑星からは取得できません。しかし、前述のように、それをすべて変える次世代の望遠鏡が登場しています。

楽器がすべてです

これには、今後10年以内に打ち上げられるか、光の収集を開始する地上望遠鏡と宇宙望遠鏡が含まれます。前者の例としては、現在チリで建設中であり、2025年に集光を開始する超大型望遠鏡(ELT)があります。

ハワイのマウナケア天文台にある30メートル望遠鏡(TMT)もあります。論争が続いているにもかかわらず、望遠鏡はハワイ先住民の神聖な祖先の土地に建設されているため、TMT国際天文台は2027年までに運用を開始する予定です。

そして、現在、カーネギー研究所(CIS)によってラスカンパナス天文台に建設されている巨大マゼラン望遠鏡(GMT)があります。完了すると(2025年に予定されています)、この天文台は、太陽系外惑星を直接画像化するために、その極端な補償光学(GMagAO-X)機器に依存します。

2021年には、広範な国際協力の結果であるジェイムズウェッブ宇宙望遠鏡(JWST)がついに打ち上げられます。この赤外線天文台は、18個の超軽量ベリリウムセグメントで構成される6.5メートルの主鏡と、これまでで最も詳細な観測を行うための一連のカメラと分光計に依存します。

これに続いて、2026年にESAの惑星トランジットと星の振動(PLATO)が打ち上げられます。この望遠鏡は、機関の宇宙ビジョンプログラムの一部であり、太陽の周りのHZ内を周回する地球型惑星の特性を明らかにしようとします。星のように。

そして2025年までに、NASAは広視野赤外線宇宙望遠鏡(WFIRST)を宇宙に送ります。この天文台は、広い視野と高度な分光計やコロノグラフを組み合わせて、約100のパワーと精度で観測を行います。 ハッブル宇宙望遠鏡.

人生を探すのに最適な場所はどこですか?

難しい質問です!一方では、G型(黄色の矮星)星は、私たちの惑星がこの同じクラスの星を周回していることを考えると、有望なターゲットのように見えます。残念ながら、G型星は私たちの銀河ではややまれであり、それらの周りに発見された可能性のある居住可能な惑星はほんの一握りです。

たとえば、G型星を周回する最も近い既知の太陽系外惑星は、12光年離れた場所にあるくじら座タウ星です。 HD 20794 e、20光年離れた場所にあります。 612光年離れた場所にあるケプラー22b。ケプラー-452b、1402光年離れた場所にあります。ケプラー-1638b、2491光年離れた場所にあります。

ご覧のとおり、これらの6つの候補はかなり広い領域に分散しており、それらはすべて地球の1.5〜5倍のサイズのスーパーアースです。公式の質量推定に基づくと、これらの世界の多くは非常に深い海(つまり「水の世界」)に覆われていると考えられています。

おそらく最も一般的なM型赤色矮星ですか?発見されたすべての地球型外惑星のうち、地球に匹敵するサイズのすべてが、近くの赤色矮星を周回しているのが発見されました。これには、太陽系に最も近い太陽系外惑星(プロキシマb)とTRAPPIST-1の7惑星系が含まれます。

しかし、赤色矮星は、それらが発する光と放射線の量に関して変動し、不安定であることが知られています。そして、彼らがフレアするとき、彼らは大きくフレアします!場合によっては、それらが放出するフレアは、それらを周回する惑星の大気を破壊するほど強力です。

さらに、赤色矮星には狭いハビタブルゾーンがあります。つまり、ハビタブルゾーンになる可能性のある惑星は、星のすぐ近くを周回する必要があります。これにより、片側が常に星に面し、もう一方が永久に暗闇の中で、自転と公転が発生する可能性があります。

これは、惑星の一方の側が激しい加熱を経験し、もう一方の側が氷点下になることを意味します。同時に、天文学者は研究と気候シミュレーションを実施し、有望な結果をもたらしました。

たとえば、彼らは、惑星の表面に十分な量の水があると、入ってくる放射線の多くから表面を保護できる高密度の雲の層が生成されることを発見しました。厚い大気と海の存在はまた、暗黒面への熱伝達を促進する可能性があります。

惑星が周回する星のタイプを超えて、それが地球に似ている程度もあります。これは、地球類似性指標(ESI)として知られています。これは、2011年の調査で、Dirk Schulze-Makuch教授と、惑星居住性研究所(PHL)、SETI協会、NASAの国際的な同僚チームによって最初に提案された概念です。エイムズ研究センター。

ESIは、惑星の主要なパラメーター(半径、密度、重力、表面温度など)を単一の数値に組み込みます。彼らの研究で、Schulze-Makuch教授と同僚は、この測定基準が次のようになっていることを示しました。

「[A]現時点で唯一知られている人が住んでいる惑星である地球との類似性に関して世界をスクリーニングすることができます。ESIは、質量、半径、温度など、ほとんどの太陽系外惑星で利用可能な、または利用できる可能性のあるデータに基づいています。」

同じ研究で、彼らはまた、「安定した基質の存在、利用可能なエネルギー、適切な化学、および保持の可能性」を考慮に入れた、惑星居住性指数(PHI)として知られる生命の探索における第2層を提案しました。液体溶剤。」

言い換えれば、PHIは、現在の機器では提供できない地質学的および表面状態に帰着します。そのため、PHIは、この種の詳細情報を提供できる将来のミッションを待つ必要があります。それまでの間、ESIは引き続き使用できる唯一の指標です。

数学的には、ESIは次のように表すことができます。

Sは恒星フラックスであり、 R 半径です、 S は地球の太陽フラックスであり、 R は地球の半径です。

いくつかの有望な候補者

今後数年間で、次世代望遠鏡は、追跡観測に値すると見なされた確認済みの太陽系外惑星を対象とする予定です。 ESIを指標として使用すると、次の太陽系外惑星から始めるのがよいでしょう。これが、今後数年間で注目すべき太陽系外惑星のトップ10です。

ティーガーデンb:

この確認された太陽系外惑星は、これまでに発見された中で最も「地球に似た」惑星であり、ESI評価は0.93(地球と93%類似)です。地球から約12光年離れた赤色矮星であるティーガーデン星のHZ内を周回しています。

惑星は地球型で、地球のおよそ1.02倍の大きさで、その質量の1.05倍です。それはその星と密接に周回し、その惑星を周回するのに5日もかかりません(つまり、ここ地球では1年は1週間未満です)。

K2-72 e:

この太陽系外惑星は、ESIが0.9で、約217光年離れた赤色矮星のHZ内を周回しています。それは岩だらけである可能性が高く、地球の1.29倍のサイズと2.21倍の質量であると推定されています(スーパーアースの範囲に入れます)。また、自転と公転であり、24。2日の周期でその星を周回しています。

GJ 3323 b:

Gliese-3323 bとしても知られているこの惑星は、ESIが0.9で、17光年離れた赤色矮星を周回しています。それもスーパーアースの範囲にあり、直径は地球の1.23倍、質量は地球の2.02倍と推定されています。また、その星(0.03282 AU)に接近して周回し、5。4日で単段式宇宙輸送を完了します。

TRAPPIST-1 d:

この惑星は、地球から41光年離れた場所にある赤色矮星TRAPPIST-1を周回する7つの岩石惑星の1つです。 ESIは0.89で、地球のサイズの約0.772倍、質量の0.41倍です(地下の太陽系外惑星の例になります)。また、星との軌道は非常にタイトで、1つの軌道を完了するのに4日しかかかりません。

GJ 1061 c:

ウルフ1061cとしても知られるこの惑星は、発見時(2015年)に「地球に最も近い潜在的に居住可能な惑星」と呼ばれていました。しかし、それは地球の1.66倍の大きさで、3.41倍の大きさであるため、科学者たちはそれをスーパーアースのカテゴリーに分類しました。

ESIは0.88で、地球から約12光年離れた赤色矮星を周回しています。軌道は0.89AUと比較的タイトで、星の1つの軌道を完了するのに17.9かかります。

TRAPPIST-1 e:

同じくTRAPPIST-1システムにあるこの岩の多い太陽系外惑星のESIは0.87です。 TRAPPIST-1 dと同様に、TRAPPIST-1 eも比較的小さな惑星であり、地球の0.918倍、0.62倍の大きさです。この惑星もタイトな軌道を持っており、単一の軌道を完了するのに6日強かかります。

GJ 667 C f:

グリーゼ667C fとしても知られるこの潜在的に岩の多い惑星は、ESIが0.87で、22光年離れた場所にある星を周回しています。地球の1.45倍、2.7倍の大きさで、軌道は0.156 AUとタイトで、公転周期は39日です。

プロキシマb:

わずか4.24光年離れた赤色矮星であるプロキシマケンタウリの周りに位置するプロキシマbは、太陽系を超えて最も近い惑星です。 ESIは0.87で、サイズと質量は地球に似ており(半径の1.08倍、質量の1.27倍)、11。2日の周期で周回する星に自転と公転する可能性があります。

最近の気候モデリングに基づいて、NASAゴダードスペースフライトセンターの科学者は、プロキシマbが居住可能である可能性があると判断しました。これは、大脳半球間の熱伝達と放射線防護を可能にする、かなりの海と高密度の大気の存在に基づいています。

ケプラー-442b:

この岩だらけの太陽系外惑星のESIは0.85で、1,115光年離れたK型(オレンジ色の矮星)を周回しています。それは地球のおよそ1.34倍の大きさ、2.36倍の質量であり、0.49 AU(地球と太陽の間の距離の半分)の距離でその星を周回し、112。34日の公転周期をもたらします。

GJ 273 b:

ESIが0.84で10番にやってくるのは、12光年離れた赤色矮星を周回する岩石惑星であるGliese 273bです。この惑星は地球の1.51倍の大きさ、2.89倍の大きさで、18。6日の周期でその星を周回しています。

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天文学の複数の分野で行われているすべての画期的な仕事のおかげで、生きているのはエキサイティングな時間です。また、今後数年間で複数の最先端の天文台が検索に加わり、確認された太陽系外惑星の数は数万に達すると予想されています。

そして現在の平均(約1%)を考えると、数万の太陽系外惑星は数百の潜在的に居住可能な候補を意味します。そして、これらの1%だけが生命を持っているとしても、それはまだエイリアン文明が存在する可能性のある一握りの惑星です!

そうなると、フランク・ドレイクとエンリコ・フェルミが耳から耳へと笑顔になることが期待できます!

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