地球は数十億個あるはずです。なぜ私たちはそれを見つけられないのでしょうか?

2009 年、ケプラー宇宙望遠鏡は天の川銀河の片隅にある約 20 万個の恒星を絶えず監視していました。ケプラーは、温暖で黄色い太陽の温帯にある小さな岩石惑星を特定し、地球が全体の中でどれほど特別な存在であるかを解明することで、生命が存在する可能性のある場所を探していました。このミッションは太陽系外惑星の研究に革命をもたらしましたが、これらの主な目的はほとんど達成されませんでした。機械の故障により、2013 年にケプラーの最初の調査は中断されました。天文学者はその後、データセットで地球に似た惑星を 1 つだけ発見しました。

10年後、研究者たちはついにケプラーが提起した疑問の答えに近づきつつある。地球のような惑星はおそらく稀だが、極端に少ないわけではない。5月に天文学ジャーナル誌に掲載されたケプラーのデータの新しい分析によると、黄色い恒星のおよそ5分の1に1つは地球のような惑星がある可能性がある。研究者の結論が正しければ、天の川銀河には地球が60億個近くあることになる。しかし、これまでに発見された太陽系外惑星の可能性がある4,000個のうち、地球に似ているのはわずか1つだけだ。では、残りはどこにあるのだろうか？

「（本当に地球に似た惑星は）本来は隠れているわけではなく、我々の望遠鏡の感度がまだ（それらを見つけるのに）十分でないだけだ」と、この研究には関わっていない、ドイツのベルリン工科大学の宇宙生物学者、ディルク・シュルツェ・マクフ氏は言う。

天文学者が Earth 2.0 を発見したい場合、そのような世界の出現頻度を計算する研究によって、将来の望遠鏡が成功する可能性が最大限に高まるだろう。

現在の太陽系外惑星の文脈では、「地球のような」という表現は必ずしも青白い点を意味しているわけではない。望遠鏡の視点から見ると、点はまったく存在せず、惑星が通過するときに恒星が時折暗くなり、その光のごく一部を遮るだけだ。しかし、この明滅から、研究者たちはいくつかの重要な事実を引き出すことに成功している。たとえば、深い明滅は巨大惑星を示している。そして、頻繁な暗転は、高速で狭い軌道上にある惑星の印である。これらの特徴により、惑星が恒星のいわゆる「居住可能領域」内にある場合、その惑星は地球のような呼び名を得る。居住可能領域とは、大まかな計算で恒星の暖かさにより表面の水が液体のままでいられると予想される、温暖な軌道帯のことである。

最近の分析を主導した太陽系外惑星科学者のミシェル・クニモト氏は、地球のような惑星の定義として、直径が地球の4分の3から1.5倍で、太陽のような（「G型」）恒星を周回し、地球の軌道距離の0.99倍から1.7倍の距離にある世界という標準的な定義を採用した。太陽系では地球だけがこの基準を満たしており、火星は小さすぎ、金星は近すぎるため含められない。

ブリティッシュコロンビア大学で博士号を取得した國本氏の研究が示唆するように、これら3つの条件をすべて満たす世界は、ほぼ間違いなく存在する。しかし、それらを見つけるのは難しい。小さな惑星の減光は見えにくい。さらに、それらの惑星が主星の前を通過するのは数百日に1回だけかもしれない。そして、天文学者が自信を持って発見したと主張するには、少なくとも3回の通過が必要だ。さらに悪いことに、黄色い太陽はそもそも珍しく、天の川銀河にある4000億個の恒星のうちわずか7％を占めるにすぎない。銀河系の恒星の大部分は暗い赤色矮星で、近くの惑星を致命的なフレアで包む可能性がある。

ミッションの計画者は打ち上げ時には知らなかったが、ケプラーが当初の目的である探査を完了できる可能性はほとんどなかった。太陽の居住可能領域の外側を周回する低速惑星の通過を 3 回記録するには、望遠鏡は 7 年以上にわたって同じ空の領域をじっと見つめ続ける必要があった。しかし、その指向装置​​は 4 年後に故障し、恒星の温帯の内側半分程度でしか惑星が見つからなかった。

さらに、ケプラーは太陽を念頭に置いて設計された。しかし、私たちの太陽はさまざまな意味で特別であることが判明した。「太陽は非常に静かな傾向がある」と国本氏は言うが、ケプラーの星は、その固有の燃焼によりパチパチと音を立てていた。「基本的に、地球のような惑星を見つけるのは [ミッション設計者が予想したよりも] はるかに難しい」

ケプラーは、何千もの太陽系外惑星という膨大な量の発見という形で科学的な成果をもたらしました。そのほとんどは、主星を抱きかかえる巨大な惑星です。しかし研究者たちはそれ以来ずっと、ケプラーがはっきりと見分けられなかった、それほど壮大ではない、もっと身近な世界を推測しようとしてきました。（地球より10％広く、1年が地球よりわずか3週間長いケプラー452bは、地球に似た顕著な例外の1つです。）

この新たな研究は、ペンシルベニア州立大学の天文学者ダンリー・シュー氏が2018年に開発した手法に基づいている。これまで、多くの研究者は、惑星の大きさと軌道は均等に分布していると想定していたが、太陽系外惑星の数が増えるにつれて、ある種の世界が他の世界よりも一般的であるように思われるようになった。例えば、1年が（地球の）100日よりも短い惑星の場合、その多くは地球より50％広く、150％広いものも多いが、地球の2倍の周囲長を持つ惑星はほとんどない。こうした説明のつかない奇妙さに対応するため、シュー氏とクニモト氏はケプラーのデータを大きさと軌道のさまざまなカテゴリーに分類し、より独立した方法でそれらをすべて分析した。クニモト氏はさらに一歩進んで、公式カタログに頼らずに独自の太陽系外惑星候補リストを作成した。

最終的に、クニモト氏は、地球のような惑星は太陽のような恒星のおよそ 5 個につき 1 個周回している可能性があると結論付けました。ただし、この数字は上限を表しており、そのような惑星はもっと少ない可能性もあると彼女は強調しています。彼女の結果は、地元の天の川銀河の地球と太陽の比率は 1:10 程度であるべきという新たなコンセンサスを表しています。この数字はまだ少し大まかですが、以前に発表された、太陽 50 個につき 1 個の地球から、太陽 1 個につき 2 個の地球が周回していると示唆されていた幅広い範囲よりも狭いものであるとクニモト氏は認めています。

シュルツェ・マクフ氏はこの推定を「妥当」だと呼び、この種の研究は「太陽系が典型的なものなのか、それとも異常なものなのか」といった、他の方法では知ることのできない疑問に対する答えを垣間見る貴重な機会を与えてくれると述べている。

しかし、彼は、雲がちりばめられた青と緑の球体が何十億個も溢れている銀河のイメージに想像力を膨らませすぎないよう警告している。軌道、大きさ、恒星の種類という限定された基準では、惑星が保護的な大気や磁気シールド、水、あるいは生命の誕生に必要な物質を持っているかどうかについてはほとんど何も語らない。

国本氏のような推定は、将来のミッションにも影響を与え、ケプラーよりも多くの地球型惑星を発見できる可能性を高めるかもしれない。こうした惑星が一般的であればあるほど、ミッション計画者は広範囲の探査ではなく、個々の惑星を精査する機器の設計に集中できるようになる。

たとえば、シュルツェ・マクフ氏は、将来のケプラーが「スターシェード」を搭載し、恒星を遮って太陽系外惑星を単一のピクセルとして捉えることを期待している。その変化から季節の移り変わりや氷床の存在がわかるかもしれない。こうした革新により、研究者が定義する地球に似た惑星の定義が狭まる可能性があるが、生命によって形作られた真の地球 2.0 がはっきりと発見されるのはまだずっと先のことだと彼は予測している。

「今ある技術だけを使うと、何光年も離れたところにいるような気がする」と彼は言う。