宇宙人はどうやって見分けるの？一部の科学者は、宇宙に送信される通信信号を探しています。他の人は、遠い太陽を周回する巨大なエイリアンが構築したメガストラクチャーによって引き起こされる可能性のある星明かりの落ち込みを探すことを提案しています.
しかし、おそらく最も有望な調査は、エイリアンの世界を取り巻くガスの層を調査することです。地球を遠くから見れば、大気の構成を分析することで地球の存在を推測できるでしょう。酸素をこれほど豊富に保つことができる唯一のプロセスは、生命です。
異星人が別の世界に住んでいるとしたら、彼らはおそらく大気中に自分たちの存在のサインを刻印するでしょう.最新の宇宙望遠鏡を使ってエイリアンの大気を覗き込むことはできますが、落とし穴があります。何を探しているのか本当にわからないのです。比較対象として地球しかありませんが、生命の存在を明らかにできるガスの組み合わせが他にあるとしたらどうでしょうか?
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この疑問への答えは、地球上の異星人の空気を再現し、実験室でエキゾチックな醸造物を調理している興味深い新しい研究にあるかもしれません。一方、他の科学者たちは、強力なスーパーコンピューター内で天気とエイリアンの大気の循環をシミュレートして、遠く離れた世界がどれほど親切であるかを調べています.この研究は、次世代のエイリアン ハンターがどこに注意を向けるべきかについて、興味深い手がかりをすでに提供しています。
空中の何か
1992 年に系外惑星 (別の星の周りの惑星) が最初に検出されて以来、4,000 以上の惑星が特定されました。そのほとんどは、惑星が親星を横切り、その光の一部を遮る際に、微妙ではあるが定期的に星明かりが暗くなる様子を観察することによって行われました (aトランジット）。太陽系外惑星の半分以上が、NASA のケプラー宇宙望遠鏡 (2009 年から 2018 年 10 月まで活動) によってこの方法で検出されました。 2018 年 4 月、NASA は Kepler の後継である Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) を打ち上げました。
太陽系外惑星の大気を研究するために、天文学者は大気が通過する星の光をどのように吸収するかを調べます。異なるガス分子は異なる波長の光を吸収するため、研究者はトランジット中に星のフィルタリングされた光スペクトルを分析して、どのガスが存在するかを突き止めることができます。このようにして、天文学者は 2001 年に太陽系外惑星の大気の最初の直接検出と化学分析を行い、HD 209458 b として知られる巨大ガス惑星の大気中にナトリウムを発見しました。
それ以来、いくつかの太陽系外惑星の大気が分析され、水蒸気、メタン、二酸化炭素、さらには少量の酸素がこれらの惑星の周囲に存在することが明らかになりました。しかし、これらのガスだけでは生命の兆候を示すことはできません。酸素でさえも、生物が関与せずに少量の酸素を生成できるプロセスが知られているためです。
ここで、惑星科学者のサラ・ホルスト博士の仕事の出番です。米国ボルチモアのジョンズ・ホプキンス大学で、彼女は科学者チームを率いて、系外惑星の大気に存在する可能性が高いガスの実験室でのシミュレーションを作成しています。彼らが生み出すかもしれないもの。これまでのところ、Hörst の研究は、大都市で過ごしたことのある人なら誰でも知っている大気現象である霞に焦点を当ててきました。
ガス調理
最も一般的な 2 つのタイプの太陽系外惑星は、私たちの太陽系に相当するものはありません。 1 つは「スーパーアース」です。岩が多く、直径は地球の 1.25 倍から 2 倍です。もう 1 つは「ミニ海王星」です。地球の約 2 倍から 4 倍の大きさで、岩石や氷の密なコアの上にガス (主に水素とヘリウム) の厚いブランケットがあります。
天文学者は、スーパーアースとミニ海王星の大気がかなり厚く霧がかかっていることを発見しました。光はそれらを簡単に通過しません.これは、それらが雲でいっぱいになっているためである可能性があります (おそらく、水蒸気またはメタンなどの他のガスから凝縮された液滴から作られている)、または霧が原因である可能性があります。
ホルストはそれを見つけようとしています。彼女は、このような惑星が生命を維持できるかどうかに影響があるかもしれないと言います. Hörst 氏によると、大気中のもやの粒子は、星の光がその中を移動する方法に大きな影響を与える可能性があります。 「これは、惑星の表面で生命が利用できるエネルギーの量と種類、表面の温度などに影響を与える可能性があります」と彼女は言います。
これらの大気の化学的性質については大ざっぱな情報しか持っていないため、Hörst は、水蒸気、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素など、世界の周りで見られる可能性が高いすべての一般的なガスを含む、考えられる幅広い組成についてシミュレーションを実行します。 、水素、ヘリウム、メタン。 Hörst は、約 25°C から 325°C の温度でこれらのガスをさまざまな割合で混合し、スーパーアースやミニ海王星に存在すると考えられている条件を模倣しています。
それは一種の宇宙料理です:材料を一緒に投げて、適度な熱で焼いて、何が出るか見てみましょう.もう 1 つの重要な要素もあります。それは、分子を分解して化学反応を開始するためのエネルギーです。太陽系外惑星では、これは星明かりに含まれる高エネルギーの紫外線、または大気の上部領域にあふれる宇宙線によって形成された荷電粒子に起因する可能性があります。研究者は、紫外線ランプまたは蛍光灯のような放電を使用して、これらのエネルギー源をシミュレートします。
ホルストと彼女のチームが研究した混合物のほとんどは、土星の衛星タイタンで見られるものと同様に、茶色がかったスモッグのようなもやを生成しました。ただし、混合物の組成に応じて、曇りの量は大きく異なります。たとえば、大量の水蒸気とメタンを使用した 2 つの実験では、ほとんどのヘイズが生成されましたが、3 つ目の実験では、メタンがまったく存在しない微粒子も生成されました。
遠く離れた太陽系外惑星でヘイズが検出されたことが生命発見の可能性にどのような影響を与えるかを調べるには、さらに研究が必要です。 Hörst は、ヘイズが有害な放射線を遮断する場合もあるが (オゾン層が地球上で行うように)、表面の冷却と液体の水の不足につながる可能性もあると述べています。 「地表の状態がどのようなものであるか、またどのようなプロセスがもやの形成につながったのかを理解するには、惑星とその大気についてもっと知る必要があります」と彼女は言います。
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それまでの間、この研究分野の究極の目標は、生命が存在する場合にのみ存在できる分子、つまりエイリアン生命の「バイオシグネチャー」を特定することです。しかし、それは何でしょうか?
答えは酸素だけではないようです。 Hörst と同僚は、シミュレーション実験で、純粋に紫外線によって引き起こされる化学反応から酸素が形成されることを確認しました。彼らはまた、エタノールやホルムアルデヒドなどの有機分子も確認しており、これらも明確なバイオシグネチャーとして除外されています.
考えられるバイオシグネチャの 1 つは、オゾンとメタンが同時に存在することです、と Hörst は言います。これは化学的に不安定なガスの混合物であり、それらを維持できる既知の地質学的プロセスはありません。 「それらを補充する源がなければ、それらを同じ雰囲気の中で一緒にすることは本当に難しいでしょう」とHörstは言います.地球上では、最終的には生物圏が大気中のこれら両方のガスの発生源です。
これらのようなバイオシグネチャーを探すのに最も魅力的な世界のいくつかは、水瓶座の星座で40光年離れたTRAPPIST-1と呼ばれる薄暗い星の周りで2015年に検出された一連の惑星である.この星を周回している 7 つの世界は漠然と地球に似ており、そのほとんどは潜在的に居住可能であり、表面に液体の水が存在する適切な条件を備えています。大気を透過する光を調べることで、Hörst と同僚は、それらの一部に雲やもやがある可能性があることを発見しましたが、現段階ではどちらの可能性が高いかについてより正確に判断することは困難です.
Hörst は、これらの興味深い惑星は、ハッブル宇宙望遠鏡の後継として計画されている NASA のジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) の初期のターゲットにすべきであると考えています。JWST は、2021 年に打ち上げられた後、太陽系外惑星の大気を詳しく調べます。
異気候
地球上の生命は、適切な種類の大気を持つことだけでなく、空気、海、熱がどのように循環し、雲がどのように形成されるかなど、気候システム全体にも依存しています。地球と同じ大気組成を持つ太陽系外惑星が見つかったとしても、同様の気候システムがなければ生命にとって住みにくいかもしれません。 「エクソクリマトロジー」と呼ばれる新しい研究分野は、地球の天気と気候をシミュレートするために使用されるコンピューター モデルを他の世界に適用することにより、系外惑星の気候と生命への影響を理解することを目指しています。
これまでのところ、研究の多くは、別の一般的な太陽系外惑星のタイプに焦点を当ててきました。「ホット ジュピター」は、私たちの木星に似ているが、親星のすぐ近くを周回する巨大ガス惑星です。それらは非常にゆっくりと回転するか、「潮汐ロック」されている傾向があるため、月が地球を周回するように、常に同じ面が星に面しています。これにより、地球の赤道と極の間の温度差が私たち自身の気候に影響を与えるのと同じように、惑星に「昼」側と「夜」側の温度差が生じ、大気循環が促進されます。
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この循環のコンピューター モデルは、ホット ジュピターが一種の大気ジェット気流を持っていることを示している、とエクセター大学の大気気候学グループを率いる Nathan Mayne 博士は言う。これにより、大気の高温側と低温側の化学的性質が混ざり合い、場所によってはガスの混合が変化し、地表に伝わる星の光の量が変化する可能性があります。ホット・ジュピターは生命を宿す可能性は低いですが、これは、大気の循環が惑星の表面条件に重要な役割を果たし、居住可能性に重要な影響を与えることを示しています.
方程式に水を加えると、物事はさらに面白くなります。 TRAPPIST-1 グループのような居住可能な可能性のあるいくつかの惑星も、星に潮汐ロックされている可能性があります。これらの太陽系外惑星の表面に液体の水がある場合、暑い日中の水が蒸発し、最終的に涼しい夜の側で雨や雪に凝縮します.
「昼側を覆う土地はすぐに乾き、湿気は夜側に運ばれます」とメインは言います。 「しかし、海があれば、水は循環して戻ることができます」 - 惑星の両側の間に水の巨大なコンベヤーベルトを作成します.これは、半分に分割された不毛の惑星 (生命が存在するには極端すぎる) と、水の循環がより湿った穏やかな環境を作り出す惑星との違いを生む可能性があります.
最新世代の宇宙望遠鏡により、これまで以上にエキゾチックな太陽系外惑星の大気を研究できるようになるまでそう長くはかからないでしょう。 「TESS と JWST を組み合わせることで、研究すべき魅力的な世界が数多く提供されるはずです」と Hörst 氏は言います。彼女やメインのような研究は、彼らが検出している太陽系外惑星のガスや気象パターンが不毛の惑星の症状なのか、それとも生命の兆候なのかを知りたい天文学者にとって重要なものになるでしょう...
- この特集は、BBC Science Focus の 7 月号で最初に公開されました - 購読はこちら .
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