もう一つの地球の発見に一歩近づいた

天文学者たちは、遠く離れた恒星を周回する 4,000 個以上の惑星を発見しているが、どれも故郷のようには感じられない。ティーガーデン b はちょうど良い大きさだが、その暗い矮星の周りをわずか 5 日 (地球) で回る。ケプラー 452 b は、太陽のような恒星の周りを一周するのにおなじみの 385 日かかるが、私たちが故郷と呼ぶ岩石よりもはるかに質量が大きく、動きの遅い「超地球」のようだ。地球と本当に似た惑星がどこにあるのか、あるいは存在するのかどうかさえ、天文学の最大の謎の 1 つである。

今日の宇宙望遠鏡は、地球 2.0 を発見する理想的なスキルセットを欠いているが、天文学者たちは、宇宙で類似の世界がどのくらいの頻度で出現するかについて、感覚をつかみ始めている。NASA の太陽系外惑星探査宇宙船ケプラーの最終データセットと最近の他の調査を組み合わせることで、天文学者のチームはこれまでで最も強力な推定値を算出した。彼らによると、3 から 3 ダースの太陽系を訪れると、少なくとも 1 つの地球に遭遇する可能性が高いという。彼らは、この結果が、今後の太陽系外惑星探査望遠鏡の設計や、私たちが知っている生命が他の場所に存在する可能性についての理解に役立つことを期待している。

「宇宙に他の生命が存在する可能性はあるのでしょうか？」と、ペンシルベニア州立大学の大学院生でこの研究の共著者でもあるダンリー・スー氏は問いかける。「太陽のような恒星の周りを回る地球のような惑星の頻度を推定することは、この疑問に答える方法の1つです。」

しかし、その中から 1 つを見つけるのは別の問題です。

NASA が現在太陽系外惑星を探すために空に打ち上げている目は、トランジット系外惑星サーベイ衛星 (TESS) です。この衛星は、惑星が恒星の前を通過したことを示す恒星の暗化を探します。この衛星のカメラは、ハッブル宇宙望遠鏡や今後打ち上げられるジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) がさらに詳しく観測できるほど近い太陽系を優先して、空の大部分をスキャンします。

TESS はすでに 1,000 個以上の潜在的な（「候補」）惑星を発見しており、NASA ではさらに 20,000 個近くが発見されると予想しています。そのうち 500 個は地球サイズになるかもしれませんが、地球のような惑星はほとんどありません。天文学者は、（ランダムな塵の雲やちらつきではなく）軌道を回る惑星を見ていることを確信するには、3 回の減光、つまりトランジットを見つける必要があります。そのため、TESS の頻繁なスキャンにより、数年ではなく数日または数週間で恒星の周りを回る惑星だけを見つける時間が得られます。

衛星は、冷たい赤色矮星もターゲットにしている。赤色矮星は太陽のような明るい「G型」の恒星より​​はるかに数が多いため、太陽系外惑星の大量探査にはうってつけだが、生命が住める場所ではないかもしれない。水が凍ったり沸騰したりするのを防ぐのに十分なエネルギーを惑星が得ることができる、いわゆるハビタブルゾーン内で周回するには、惑星は水星の領域とみなせる恒星のすぐ隣に密集している必要がある。

しかし、これらの矮星ゴルディロックスゾーンを「居住可能」と呼ぶのは楽観的すぎる。そこにある惑星は温暖な気温に恵まれるかもしれないが、近くの恒星は紫外線と太陽フレアで惑星を覆い尽くし、大気を剥ぎ取り、出現した微生物を焼き尽くす可能性がある。生物は生き延びる方法を見つけるかもしれないが、そのためには創造力を発揮する必要があるだろう。

NASA の以前の主力太陽系外惑星探査機ケプラーは、より明るい太陽のような恒星に焦点が当てられていた。ケプラーは何年もの間、月ほどの大きさの同じ空を瞬きもせずに見つめ、太陽系外惑星の特定に必要な光の低下を収集していた。しかし、約 4 年後、ケプラーが数百日かけて周回する恒星の 3 回目と 4 回目の通過を捉え始めるのに十分なほど長く観測を続けていたちょうどその時、ケプラーの安定性を保つために必要な部品が故障した。

「残念ながら、私たちはチャンスを逃してしまいました」とスー氏は言う。「地球に似た候補がどんどん増え始めたちょうどその時に、探査機が故障してしまったのです。」

その結果、多様な太陽系外惑星が満載のカタログが完成しましたが、Earth 2.0 は 1 つも見つかりませんでした。確固とした観測証拠がないため、天文学者は統計ツールを使って数えきれないほどの惑星を数えることにしました。

以前ケプラー計画に携わり、現在はTESSに関わっているMITの天文学者クリス・バーク氏は、この作業を国勢調査に例える。数えられる人は誰でも数え、誰に連絡が取れないか、その理由は何か、を慎重に考える。「国勢調査は決して完了しません」とバーク氏は言う。「どこで人が見落とされているかを把握しなければなりません」

スー氏と彼の協力者の場合、それはケプラー宇宙船の長所と短所を深く理解することを意味した。暗くなる星を探すのは理論的には簡単だが、実際にはデッドピクセル、誤報、惑星のふりをした連星、各星の大きさをどれだけ正確に知っているか、その他多くの複雑な問題を心配しなければならない。「これらの小さなことの1つ1つが、それらの検出を形作る」とバーク氏は言う。そして、どの惑星が検出プロセス中に排除され、どの惑星が実際には見えにくかったのかを見極める方法を学ばなければならない。

ペンシルベニア州立大学の研究チームは、最近天文学ジャーナル誌に研究結果を発表したが、一連の新たなデータ・セットを使用して、これまでで最も確実な推定値を得た。これまでの研究とは異なり、研究チームはケプラーの太陽系外惑星の最終リストと、ケプラーのチームが行った、データに偽の惑星を組み込んで検出プロセスがどの程度うまく機能するかをテストしたテストの完全な記録を入手した。また、欧州のGAIAミッションによる最新の星の大きさの測定値や、革新的な統計手法も使用した。最終的に研究チームは、少なくとも1つの地球型惑星が、よくて太陽型星2.5個ごとに、最悪の場合で太陽型星33個ごとに周回していると算出した。Hsu氏は、実際の平均がこの範囲から外れる確率は10％未満だとしている。

バーク氏はこの研究には関わっていないが、過去に同様の研究を発表しており、この推定値を「ベンチマーク」と呼んだが、他のグループが今後も計算を改良し続ける可能性があると付け加えた。「これは最終的な答えではありませんが、やらなければならないステップであることは確かです」と同氏は言う。

天文学者が実際にこれらの地球型惑星の 1 つを発見するのはいつかという点については、スー氏もバーク氏もすぐに発見されるとは考えていない。スー氏は、この推定値は実際の地球型惑星の頻度を表しており、偶然その恒星の前を正しい角度で通過して発見できる数はそれより少ないだろうと指摘する。同氏は、研究者がこれらの現実を念頭に置いて次世代の望遠鏡を建造することを期待している。「発見できる惑星の数について正確な見当をつけたいのです」と同氏は言う。「そうすれば、何十億ドルもかけても成果ゼロの宇宙船を設計する必要がありません」

WFIRST 望遠鏡は、今後 10 年間で TESS に代わる天体観測衛星として最も注目を集め、恒星の重力場のゆがみから惑星の痕跡を探すことになる。研究者たちは、この技術によって太陽から遠く離れた軌道を回る巨大な海王星を発見できると期待している。

しかし、真の地球の双子を捕獲できるケプラーの後継機が実現するには、太陽系外惑星探査者は少なくとも2030年代まで待たなければならない。その頃には、大型紫外線光学赤外線探査機（LUVOIR）や居住可能な太陽系外惑星撮影ミッション（HabEx）などのコンセプト機器が打ち上げられるだろう。これらの巨大探査機は、主星の圧倒的な光を遮断することで太陽系外惑星の写真を直接撮影しようとする。計画段階を乗り切れば、LUVOIR、HabEx、または同様の探査機は、地球が実際にどれほどユニークであるかを知るための最善の策となるだろう。

「地球のような惑星が存在することはすでにわかっています」とバーク氏は言う。「あとは、テクノロジーを活用して、それらについてさらに詳しく知るだけです。」