生命の材料は宇宙全体に広がっています。地球は生命が存在する宇宙で唯一知られている場所ですが、地球外の生命を検出することは、現代の天文学と惑星科学の主要な目標です。
私たちは系外惑星と宇宙生物学を研究する 2 人の科学者です。ジェイムズ・ウェッブのような次世代望遠鏡のおかげで、私たちのような研究者は、他の星の周りの惑星の大気の化学組成をすぐに測定できるようになるでしょう。希望は、これらの惑星の 1 つまたは複数が生命の化学的特徴を持つことです。
居住可能な系外惑星
火星の地下帯水層や木星の衛星エウロパの海のように、液体の水がある太陽系に生命が存在する可能性があります。しかし、これらの場所で生物を探すのは非常に困難です。到達するのが難しく、生物を検出するにはプローブを送って物理的なサンプルを返す必要があるからです。
多くの天文学者は、他の恒星を周回する惑星に生命が存在する可能性は十分にあると考えており、そこで生命が最初に発見される可能性があります。
理論計算によると、天の川銀河だけでも居住可能な惑星が約 3 億個あり、地球からわずか 30 光年以内に居住可能な地球サイズの惑星がいくつかあります。これまでのところ、天文学者は、惑星が近くの星にどのように影響するかを測定する間接的な方法を使用して、居住可能な可能性のある数百の惑星を含む、5,000 を超える系外惑星を発見しました。これらの測定により、天文学者は系外惑星の質量とサイズに関する情報を得ることができますが、それ以外の情報はほとんど得られません.
生体認証を探しています
遠い惑星の生命を検出するために、宇宙生物学者は惑星の表面または大気と相互作用した星の光を研究します。大気または表面が生命によって変化した場合、光は「バイオシグネチャー」と呼ばれる手がかりを運ぶ可能性があります。
地球は、その存在の最初の半分の間、酸素のない大気を誇っていました。この初期の時代、地球のバイオシグネチャーは非常に微弱でした。 24億年前、新しい藻類が進化したとき、それは突然変わりました.この藻類は、遊離酸素 (他の元素と化学的に結合していない酸素) を生成する光合成プロセスを使用していました。その時以来、地球の酸素で満たされた大気は、それを通過する光に、強力で容易に検出可能なバイオシグネチャーを残しました.
光が物質の表面で跳ね返ったり、気体を通過したりするとき、光の特定の波長は、他の波長よりも気体または物質の表面に閉じ込められたままになる可能性が高くなります。この光の波長の選択的なトラッピングが、オブジェクトが異なる色である理由です。葉が緑色なのは、クロロフィルが赤と青の波長の光を特によく吸収するためです。光が葉に当たると、赤と青の波長が吸収され、ほとんどの緑の光が目に戻ってきます。
失われた光のパターンは、光が相互作用する材料の特定の組成によって決まります。このため、天文学者は、本質的に、惑星から来る光の特定の色を測定することによって、太陽系外惑星の大気または表面の組成について何かを知ることができます.
この方法は、生命に関連する特定の大気ガス (酸素やメタンなど) の存在を認識するために使用できます。これらのガスは非常に特殊な特徴を光に残すからです。また、惑星表面の特異な色を検出するためにも使用できます。たとえば、地球上では、植物や藻類が光合成に使用するクロロフィルやその他の色素が、特定の波長の光を捉えます。これらの顔料は、感度の高い赤外線カメラを使用して検出できる特徴的な色を生成します。この色が遠く離れた惑星の表面に反射しているのを見るとしたら、クロロフィルの存在を示している可能性があります.
宇宙と地球の望遠鏡
居住可能な太陽系外惑星からの光の微妙な変化を検出するには、信じられないほど強力な望遠鏡が必要です。今のところ、そのような偉業を達成できる唯一の望遠鏡は、新しいジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡です。 2022 年 7 月に科学運用を開始したとき、James Webb は巨大ガス惑星 WASP-96b のスペクトルを読み取りました。スペクトルは水と雲の存在を示しましたが、WASP-96b のように大きくて熱い惑星が生命を宿す可能性は低いです。
しかし、この初期のデータは、ジェームズ・ウェッブが太陽系外惑星からの光のかすかな化学的特徴を検出できることを示しています。今後数か月で、Webb は、地球からわずか 39 光年のところにある潜在的に居住可能な地球サイズの惑星である TRAPPIST-1e に鏡を向ける予定です。
ウェッブは、主星の前を通過する惑星を研究し、惑星の大気を通過する星の光を捉えることで、バイオシグネチャーを探すことができます。しかし、ウェッブは生命を探すように設計されていないため、この望遠鏡は、居住可能な可能性のある最も近い世界のいくつかを精査することしかできません。また、二酸化炭素、メタン、水蒸気の大気レベルの変化しか検出できません。これらのガスの特定の組み合わせは生命を示唆している可能性がありますが、ウェッブは、生命の最も強力な信号である結合していない酸素の存在を検出できません。
将来のより強力な宇宙望遠鏡の主要なコンセプトには、惑星の主星の明るい光を遮断して、惑星から反射された星の光を明らかにする計画が含まれています。この考え方は、手を使って日光を遮り、遠くのものを見やすくすることに似ています。将来の宇宙望遠鏡は、これを行うために、小型の内部マスクまたは大型の外部の傘のような宇宙船を使用できます。星の光が遮断されると、惑星から跳ね返る光の研究がはるかに容易になります。
また、バイオシグネチャーを検索できる 3 つの巨大な地上望遠鏡も現在建設中です。巨大マゼレン望遠鏡、30 メートル望遠鏡、ヨーロッパ超大型望遠鏡です。それぞれが地球上の既存の望遠鏡よりもはるかに強力であり、地球の大気が星の光を歪めるというハンディキャップにもかかわらず、これらの望遠鏡は最も近い世界の大気で酸素を調べることができるかもしれません.
生物学ですか、それとも地質学ですか?
今後数十年間で最も強力な望遠鏡を使用しても、宇宙生物学者は、生命によって完全に変化した世界によって生成された強力なバイオシグネチャーを検出することしかできません.
残念ながら、陸上生物から放出されるほとんどのガスは、非生物学的プロセスによっても生成される可能性があります。牛と火山はどちらもメタンを放出します。光合成は酸素を生成しますが、太陽光も水の分子を酸素と水素に分解します。天文学者が遠くの生命を探すときに、いくつかの誤検出を検出する可能性は十分にあります。誤検知を排除するために、天文学者は対象の惑星を十分に理解し、その地質学的プロセスまたは大気プロセスがバイオシグネチャーを模倣できるかどうかを理解する必要があります。
次世代の太陽系外惑星研究は、生命の存在を証明するために必要な並外れた証拠の水準を超える可能性を秘めています。ジェイムズ ウェッブ宇宙望遠鏡からの最初のデータ リリースは、私たちにエキサイティングな進展が間近に迫っていることを感じさせてくれます。 
アリゾナ大学 天文学 大学特別教授 Chris Impey 氏 Daniel Apai、天文学および惑星科学の教授、アリゾナ大学
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