「ハイセアン」系外惑星は、私たちが探し求めていた地球外生命体の故郷かもしれない

天文学者が数多くの太陽系外惑星を発見し続けるにつれ、内側の小さな岩石惑星と外側の巨大なガス惑星を持つ私たちの太陽系は、ますます奇妙な存在のように見えてきています。

天文学者が遠くの太陽系の恒星を近くで観察すると、金星や地球の兆候が見られることはほとんどない。むしろ、ありふれた内惑星は岩石矮星とガス巨星の中間のどこかに位置するようだ。研究者たちは、これらの遍在する惑星を「ミニ海王星」と名付け、太陽系の氷巨星の縮小版と想定している。

研究対象となる局所的なバージョンがないため、ミニ海王星の性質は謎のままである。しかし、その厚い大気は過酷な圧力で下方に押し下げているため、多くの研究者はこれらの世界が単なる水素とヘリウムの不毛な球体ではないかと疑っていた。

現在、太陽系外惑星の研究者チームは、少なくとも一部のミニ海王星は海王星とはまったく似ていない可能性があると示唆している。徹底的なモデル化の後、彼らはこれらの惑星のいくつかの大気圧により、熱いが熱くはない海が数十億年にわたって存続できる可能性があることを発見した。その可能性を念頭に置き、グループは、この豊富なタイプの内惑星には地球外微生物が存在する可能性があり、これらの惑星の生命体は、天文学者がすぐに簡単に検出できるような方法で大気を変化させるだろうと結論付けている。

「（この結果は）生命を発見できる可能性を大きく広げる」とケンブリッジ大学の天文学者でこの新しい研究の主著者であるニク・マドゥスダン氏は言う。

ミニ海王星が発見される

天文学者は、太陽系外惑星が主星に与える影響に基づいてその質量と大きさを推測することができ、惑星が主に岩石でできているかガスでできているかを大まかに把握できる。しかし、惑星の固体核と大気の間に何があるのか​​というより細かい点を解明することになると、研究者たちはほとんど何もわかっていない。

しかし2019年、ある研究チームがハッブル宇宙望遠鏡を使って、小さな海王星の1つであるK2-18bの大気を垣間見た。彼らは水蒸気と雲の証拠を発見し、マドゥスダン氏と数人の同僚は、大気の状態に関する新たな情報を踏まえて、どのような内部構造が考えられるかを計算することにした。

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昨年、彼らは、K2-18bの可能性のあるバージョンのいくつかは、その熱、圧力、大きさにもかかわらず、少なくとも一部の地球生命が耐えられるほどの惑星規模の海を備えている可能性があると発表した。「初めて、惑星が地球よりもかなり大きくても、居住可能な条件が保たれる可能性があることを実証しました。」 マドゥスダンさんは言う。

まったく新しい世界

多くの研究者の最大の願いは、地球と同じ質量、同じ大きさ、同じ軌道を持つ完璧な地球の双子を見つけることだ。つまり、水が湿ったままでいられるほど恒星に近いが、沸騰してしまうほどではない距離だ。しかし、K2-18b（地球の約8倍の質量を約17倍の体積に詰め込んだもの）が水に沈んでいる可能性があることに気付いたマドゥスダン氏は、この分野はもっと広い視野で考える必要があるのではないかと考えた。地球の類似物は、やがて望遠鏡やインターネットを発明するような複雑な生物にとっては理想的かもしれないが、温泉や深海の噴出孔で繁殖する単純なバクテリアには過剰だ。

「人間にとって居心地の良い環境を想定しないようにしましょう」と彼は言う。

研究者たちは従来の仮定を捨て、ミニ海王星のグループを居住可能な惑星として特定した。研究者たちは、適度に厚く重い水素を豊富に含む大気が圧力鍋の蓋のような働きをし、主星のすぐ隣にある惑星が耐える熱の下でも、周囲を海が覆っていることを発見した。研究者たちはこの新しい種類の惑星を「ハイセアン」ワールド（発音は「ハイシャン」）と名付けた。これは「水素」と「海」を組み合わせた造語である。

研究者らは、典型的なハイセアン惑星と、居住可能という定義（気温が華氏約250度以下、気圧が地球の大気の1,000倍以下）を満たす2つの変種について説明した。

教科書的なハイセアンの世界はすべて海で大陸はなく、蒸気の海からは霧や靄が絶えず立ち上っている。「ダーク ハイセアン」惑星は潮汐力によって自転が調整され、一方の面が恒星に常に面している惑星で、ちょうど月の同じ面が常に地球に面しているのと同じである。昼側は焼けつくが、夜側は比較的涼しい。最後に、「コールド ハイセアン」の世界の水素大気は、ホスト スターの暖かさから遠く離れていても惑星の海が凍らないように十分な熱を閉じ込めることができる。

ハイセアンの三つの世界は、居住可能と考えられる惑星の範囲を拡大し、研究者がより洗練された居住可能性の定義を模索する太陽系外惑星科学の最近の動きを継続するものである。

モントリオール大学の天文学者ビョルン・ベネケ氏は「まさに地球2.0を見つける」というアイデアを持っていると語る。この研究には関わっていないが、「地表を這い回る恐竜以外の生命体を見つける方法は他にもあるかもしれない」と同氏は言う。

候補者から承認まで

宇宙生物学という不可避的に推測的な分野の多くの提案とは異なり、ハイスアン仮説は直接検証することができ、しかもすぐに検証できる。

ミニ海王星は銀河中に散らばっている。その多くは深海を形成し維持するのに十分な圧力と温度を持たないが、その膨大な数を考えると、いくつかは深海を形成し維持できる可能性がほぼ確実だ。

「たとえ5％がこの要件を満たしていたとしても」とベンネケ氏は言う。 K2-18bの大気中の水蒸気の発見に貢献した人物によれば、「それでも惑星はたくさんあるだろう」という。

ハイセアンの候補は非常に多いため、天文学者は最も理想的な観測条件を持つ惑星に焦点を絞り、選り好みする余裕さえある。昨日アストロフィジカルジャーナルに発表された論文で、マドゥスダン氏と彼の協力者は11の主要なターゲットを特定した。

ハイセアンの世界には、天文学者が夢見るような大気も存在する。研究者たちは、惑星が主星の前を通過する様子を観察し、大気がどの波長の光を遮断し、どの波長を通過させるかを調べることで、大気に何が含まれているかを把握する。

地球のような大気は酸素や窒素などの重い分子でできており、惑星にまとわりつくため、大気は非常に薄く、見づらい。しかし、ハイセアン惑星は超軽量の水素とヘリウムの分子に囲まれているため、その大気は地球の何十倍も膨らむ。マドゥスダン氏のグループの計算によると、このような目立つ大気であれば、天文学者は近々打ち上げられるジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）を使って、地球上の生物によってほぼ独占的に生成される化学物質をいくつか簡単に検出できるはずだという。

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発見を待つだけ

K2-18b の大気圏における生命の兆候を探す最初の観測は、JWST の打ち上げが今秋に順調に進めば、早ければ来年にも実施される可能性がある。マドゥスダン氏は、この真新しい宇宙望遠鏡は、わずか 20 時間の観測で、提案されている「生命の痕跡」の 1 つ (もし存在すれば) を発見できると見積もっている。そして、彼は、JWST の最初の運用サイクル中に、すでにそのようなプログラムを実行する承認を受けている数人の研究者の 1 人である。

1回の検出では、K2-18bに地球外細菌が生息していることを保証するものではないが、他の天文学者がその主張を裏付ける追加の生物学的特徴を探すきっかけとなるだろう。

「もしそれが実現すれば、洪水が起こり得る」とマドゥスダン氏は言う。「2～3年以内にバイオシグネチャーの検出が実現するかもしれない」

ベネケ氏は、2つの異なる考え方に基づいて、独自の生命探査観測を計画している。彼は、TRAPPIST-1太陽系にある岩石質で比較的地球に似た惑星の1つの大気圏で、予備的な生命の痕跡を探すつもりだ。また、暗い恒星を周回する小型海王星も調査する予定で、この惑星はヒュセアンの惑星である可能性がある。

「この2つの道には、ワクワクする理由がたくさんある」と彼は言う。「今はとてもエキサイティングな時代だ」