良いニュース: これらの太陽系外惑星にはおそらく水がある。悪いニュース: ああ、水が多すぎる。

昨年、世界は TRAPPIST-1 という驚くべき恒星系を目にしました。この恒星系には 7 つの興味深い惑星が周回していました。研究者たちは、最初の観測で、楽観的に見ても 5 つの惑星は表面に液体の水が存在する温度を持つ可能性があり、7 つの惑星のうち 3 つは恒星のハビタブルゾーン内の軌道上にあることを突き止めました。

これは特に興味深い。水があるところには生命が存在するかもしれないからだ。地球では、水を加えるだけで生命が育つ。しかし、今週ネイチャー・アストロノミー誌に発表された、これらの湿潤惑星の詳細な調査によると、水で膨張しすぎて生命の可能性を奪ってしまう可能性があるという。また、たとえ何らかの生物が成長できたとしても、大量の水がそれを検出することを妨げるかもしれないと研究は示唆している。

しかし、何年も他の惑星に水の痕跡を探し続けていたのに、生命が存在するには水が多すぎる場所がどうして存在するのでしょうか? 見てみましょう。

本当に、本当に濡れているんです

地球は、かなり湿った場所のようです。私たちは、1 日に推奨されている 8 杯の水を飲みますが、私たちの体の体積の約 60 パーセントは水です。なんと、この惑星の表面の約 71 パーセントが水で覆われています。これはかなり湿った世界ですよね?

TRAPPIST-1 のほとんどの惑星と比べるとそうでもない。地球は水であふれているように見えるかもしれないが、二酸化水素は地球の質量のわずか 0.02 パーセントを占めるにすぎない。0.02 パーセント。残りは岩石、金属、有機物、そしてこの世界の他のすべてのものだ。対照的に、TRAPPIST-1 の周りの惑星のいくつかは、質量の 15 パーセント、あるいはそれ以上の水を持っている可能性がある。

ネイチャー・アストロノミーの論文の著者らが使用したデータによると、いくつかのケースでは、地球の質量の 50 パーセントが水である可能性があるが、先月発表されたその後の観測では、その推定値は 10 ～ 15 パーセント、または 5 パーセント程度と大幅に低くなっている。いずれにしても、それはまだ大量の水である。実際、地球の海の水の 250 倍である。

「我々は大量の水、あるいは大量の水について言い争っている」と、論文の主執筆者で地質学者のケイマン・ウンターボーン氏は冗談交じりに言う。

研究者は、恒星の前を通過する惑星を観測することで、39光年離れたところからでも、その推定を行うことができます。研究者は、惑星の大まかな大きさだけでなく、密度も知ることができます。密度は、その惑星が何でできているかについて多くのことを教えてくれます。これらの惑星は、地球とほぼ同じ大きさですが、はるかに軽量です。その重さが気体大気に起因するほど軽くはありませんが、岩石のように固体でもありません。残るのは水であり、惑星科学者にとって新たな疑問の世界が提示されます。

動きなし

これほど多くの水を持つ世界は、地球とはまったく異なって見えるだろう。また、TRAPPIST-1の惑星よりもはるかに小さい、水の衛星であるエンケラドゥスやエウロパとも異なって見えるだろう。

私たちが話しているような本当に水が豊富な惑星では、薄い外層に液体の水があるかもしれません。しかし、惑星のさらに深くに降りていくと、上空の海の圧力が大きくなり、液体の水が圧縮されて固体の高圧氷になります。その氷は基本的に、惑星のマントルとして機能し、さらに固体の物質からなる核を囲んでいます。

そのような世界のダイナミクスは私たちにとっては未知のものです。

地球では、古生物学者は、生命の最初の証拠を見つけるために、溶けた岩石が湧き出て冷たい海の底にホットスポットを形成したり、深部からガスを大気中に放出したりする、脆弱な地殻上のダイナミックな場所に注目しています。しかし、内部が固体である世界では、生命が発達する可能性はあるのでしょうか?

「活動的な惑星にとって本当に重要な点は、それが溶けることです」とウンターボーンは言う。「十分な水があれば、圧力が高すぎて溶けるほど熱くならないため、事実上完全に溶けるのを止めることができます。確かに表面には水があり、最低限の定義では居住可能な惑星ですが、地質の大部分が遮断されています。表面と内部の連絡は大幅に失われており、地質学的時間スケールで居住可能な惑星であるためにはそれが必要だと考えています。」

検出されない

問題の惑星には、地球の海にある水の約 250 倍の水が、地球と同じ大きさの惑星に分布していると低く見積もられています。地球上の陸地全体を完全に覆うのに必要な量は、その量の約 5 分の 1 にすぎません。

陸地がなければ、水が石を風化させて構成成分に分解する能力はより制限される。つまり、DNAの骨格であるリンなど、風化によって生成される原材料が少なくなる。原材料が限られているため、大気中の酸素の増加など、地球から検出できる信号を生成するのに十分な数の生命が生まれる可能性は低くなる。

「その場合、生命によって生成された酸素と惑星や地質学的プロセスによって生成された酸素を実際に区別することはできません」とウンターボーン氏は述べ、研究者たちはこれを居住可能だが検出不可能な状況と呼んでいる。「水の世界は生命にとって素晴らしい場所かもしれませんが、目に見える違いを生むほどではありません。」

それだけではありません

生命がどのように発達するかについての現在の理解では、これらの非常に水の多い世界での生命の進化のシナリオを想像するのは難しい。そして、たとえ生命が生まれるチャンスがあったとしても、私たちはおそらくそれを発見することはできないだろう。

しかし、だからといってこれらの惑星が行き止まりというわけではありません。研究者にとって水惑星が興味深い理由の 1 つは、大量の水 (または大量の水) を蓄積することが複雑な惑星プロセスであるからです。この論文の焦点は生命ではなく、惑星が現在の位置にある理由です。水分含有量が多いということは、現在私たちが目にしている位置では形成されなかった可能性が高いことを意味します。

惑星は、ガスと塵からなる原始惑星系円盤として始まり、主星の周りを回っている。星の近くは高温なので、水は蒸発したままである。星の外側の水粒子は氷になり、ゆっくりと新生惑星に蓄積される。この 2 つの間の線が氷線 (論文では、システムの初期段階では「原始雪線」と呼ばれている) であり、星の寿命を通じて暗くなるにつれて変化する。

私たちの太陽系では、太陽に近い惑星は乾燥している傾向があり、太陽から遠い惑星は水に富んでいます。TRAPPIST-1 系では、太陽に近い惑星でも水が高濃度に含まれています。つまり、惑星はおそらく時間をかけて現在の位置に移動したはずであり、天体物理学者はまだその解明に取り組んでいます。

論文の共著者であるスティーブン・デッシュ氏は、この移動が起こる一つの方法は、惑星が原始惑星系円盤内のガスと相互作用することだと言う。「惑星は角運動量を失い、ガス円盤に波を作り、減速して恒星に螺旋状に落ち込みます」とデッシュ氏は言う。「これにより、軌道を円形に保つ方法も得られます。他のメカニズムでは、トラピスト1系がそうであると推測されるほど、系が整然とした状態にはならないでしょう。」

彼らの観察は、惑星が恒星の80億年の歴史の早い段階で形成された場合、惑星の移動はかなりのものであった可能性があること、あるいは、氷の線が恒星に近づくにつれて、惑星が時間をかけてゆっくりと形成された場合、惑星の移動はわずかであった可能性があることを示唆している。

他の世界の発展についてはまだ学ぶべきことがたくさんあります。私たちの小さな系を超えた惑星を観察することで、宇宙の成長についてさらに興味深い見方ができるようになります。しかし、全体像を把握するには、私たちの力が必要です。

「私は太陽系外惑星の学際的な性質を特に強調したい」とウンターボーンは言う。「天文学だけが重要なのではなく、彼らは太陽系外惑星の発見に非常に長けている。しかし、地質学と化学がすべてを文脈化するのに役立っていく。岩石について多くのことを知っている分野がたくさんある。私たちは話し合うべきだ」