奇妙に聞こえるかもしれませんが、望遠鏡は、古代の探検家が新しい大陸を発見するために使用したものと同じように、探検の器です。望遠鏡は、これまでに見たことのない場所を垣間見せてくれ、信じられないほど奇妙な場所に連れて行ってくれます。しかし、これらの遠い世界は、地球上にあるものと同じくらいリアルです。望遠鏡が収集する光は、私たちを何百万年、さらには何十億年も過去に連れて行ってくれます。望遠鏡で行ってみたい宇宙のすべての魅力的な場所の中で、星の間で新しく発見された世界が私のリストの一番上にあります。別の国や別の大陸だけでなく、まったく新しい世界への旅は、驚くべき冒険です。そして、私たち人間が宇宙で一人ではない場合、これらの世界、それらの惑星と月は、おそらく、地球上で私たちが知っているものと似ているか、非常に異なっているかにかかわらず、その生命が見つかる場所です. .
最も単純な天文機器は人間の目であり、近隣の惑星を見るのに十分です.暗い場所で夜空を見上げると、少なくとも 5,000 個の明るい点が見えます。これらは星、または他の太陽であり、実際には私たちから離れすぎて、私たち自身の太陽のように空の円盤として見ることはできません.しかし、これらの何千もの明るい光の中には、夜間に急速に移動する明るい点であるいくつかの惑星もあります。夜空で最も明るく、ほとんどの場合地球に最も近いのは金星です。金星は地球と非常によく似ており、質量は地球の約 80%、直径の 95% です。金星にもかつて地球のような海があったかもしれません。しかし、もしそうなら、この海は宇宙に失われました.その水は、表面熱の増加によって蒸発し、大気の最上部まで運ばれ、放射線によって水素と酸素に分解され、宇宙に逃げました。今日の金星の表面温度は華氏 863 度で、大気の 96% は二酸化炭素で、苛性硫酸の雲に覆われているため、可視光で表面を見ることはできません。しかし、これらの反射する雲はまた、金星を非常に明るくしています。非常に明るいため、古代の文化では明けの明星または宵の明星と呼ばれていましたが、決して星ではありません.
太陽系で最も暗い惑星である海王星を見るには、肉眼よりも多くの光を捉える必要があります。 「もっと大きな目」が必要です。双眼鏡か、もっといいのは望遠鏡です。双眼鏡で見ると、太陽から8番目で最も遠い惑星を見ることができます。 4 ～ 6 インチの望遠鏡を使えば、おやすみの夜にその色、円盤の周りの青い色合いを見ることさえできます。その表面の嵐は、地球の数年ごとに形成され、再形成され、大きな暗点として現れます。嵐ではありますが、海王星は太陽系で最も寒い場所の 1 つであり、温度は約 55 ケルビン (華氏 -360 度) まで下がります。その 14 番目の月は、ハッブル宇宙望遠鏡を使用して、2013 年 7 月 15 日に発見されたばかりです。
太陽系の外に出る前に、視点を調整しましょう。太陽を小さな砂糖粒のサイズに縮小すると、海王星までのすべての惑星がオレオ クッキーのサイズに収まります。そのクッキーを手に取り、あなたの周りの次の星を探してください.サッカー場2面分！光がその距離を移動するには約 4 年かかりますが、太陽から私たちに到達するにはわずか 8 分しかかかりません。
このような遠い惑星をどのように見るのでしょうか?何を探すべきかを知っていれば、小さな望遠鏡でそこに行くことができます。 1995 年、太陽に似た恒星の周りにガス巨大惑星が初めて発見されました。この観測は、星の周りを周回する目に見えない惑星によって引き起こされる星の小さなぐらつきを探した探偵の仕事に基づいていました。その最初の惑星は、ペガスス座 51 番星 b (系外惑星マップを参照) と呼ばれ、約 50 光年離れています。主星は肉眼で見ることができます。太陽の周りをわずか 4 地球日で周回します。これは、太陽に近く、表面が 1300 ケルビンと考えられている高温であることを意味します。太陽に近いこと、大きさ、組成 (ほとんどがヘリウムと水素でできている) から、このタイプの惑星を「ホット ジュピター」と呼んでいます。スイスの天文学者は、フランスのオート プロヴァンス天文台にある 2 メートルの望遠鏡と、星の非常に正確なスペクトル フィンガープリントを測定できる装置 (ELODIE スペクトログラフ) を使用して、この星を発見しました。星のぐらつきはスペクトルのぐらつきに変換され、それが装置によって検出されました。
HD 209458b と呼ばれる別のガス惑星に行きましょう。これはペガスス座51番星bと大差なく、地球から少し離れているだけです(約150光年)。しかし、私たちがそれを見つけた方法のために、それは重要です.星の揺れを探すのではなく、その影を探しました。 18 ～ 40 cm (7 ～ 16 インチ) ほどの小さな望遠鏡を使用して、空の何十億もの光点の中で最も明るいものを見つめると、わずかな周期的な減光を検出することがあります。これは、厳密に偶然の幾何学的配置により、惑星が軌道を回っている星への視線を横切るときに発生します。これにより、その星の視界が一時的かつ部分的に遮られます。
HD 209458b は、このいわゆるトランジット法を使用して 1999 年に発見されました。木星とほぼ同じ大きさの高温の巨大惑星であり、3.5 日ごとに恒星の周りを公転し、この恒星からの光をわずか約 2% 減少させます。その高速軌道は、ペガスス座 51 番星 b のように、その星に非常に近く、地球と太陽の間の距離の約 4.5% であることを意味します。また、定期的な減光に気付くのに長く待つ必要がなく、系外惑星が大きいほど、より多くの光をブロックするため、見やすくなります (これが、大きな惑星を最初に発見した理由です)。比較すると、地球は太陽の光をわずか 0.01% 暗くします。エイリアンの文明は、このように私たちを見るためにはるかに大きな望遠鏡を必要とするか、大気の歪みから逃れるために宇宙望遠鏡を使用する必要があります.
これで、2 つの巨大ガス惑星を訪問しました。しかし、私たちが本当に興味を持っているのは岩石惑星です。生命を宿す可能性が高いからです。 CoRoT-7b と呼ばれる最初に検出された岩石系外惑星を訪れるには、500 光年移動する必要があります。地球を周回する軌道上で、直径27センチメートル（10.5インチ）の望遠鏡を使用して発見されました。 CoRoT-7b も主星に非常に近いため、トランジットを簡単に見つけることができます。実際、それは非常に近く、したがって非常に暑いため、おそらくその表面に溶岩の川が流れています.その太陽を周回するのに 20 時間強しか必要としません。太陽は、私たちの太陽が私たちの空の数百倍の大きさに見えます。
CoRoT-7b のような惑星 (およびケプラー 10b や 55 Cancri e を含む他の同様の惑星) は、岩石を溶かすほどの表面温度で、私たちが知っているように生命を維持するにはまだ暑すぎます。私たちが本当に興味を持っているのは、より涼しく、より親切な惑星です。これらにたどり着くには、かなり長く観察する必要があります。地球が太陽を通過するのは、20 時間ごとではなく、年に 1 回だけです。そのため、エイリアンの天文学者は、少なくとも 3 回のトランジットを捉えるために、数年間私たちを観察する必要があります。最初のトランジットはそこに何かがあると言い、2 回目はその物体が星を周回していることを確認し、3 回目は軌道を確認します。他の惑星や月が惑星を引っ張っているかどうかを予測して明らかにします。星が小さい場合、惑星は同じ放射線を得るために近くにある必要があるため、より速く周回します。これが、私たちが最初に発見した岩石の可能性がある低温の惑星が、低温の赤い恒星 (グリーゼ 581 d、ケプラー 62e、ケプラー 62f など) の周りを周回する理由です。
より冷たい惑星を (文字通り) 探すために、地球に縛られた望遠鏡を捨てて、もう少し凝ったものを探しましょう。ケプラー望遠鏡は、非常に広い視野を持つ特別に設計された望遠鏡です:105 平方度で、腕の長さで握った手の面積に匹敵します。ケプラーには一種のトンネル ビジョンがあります。ミッション全体で同じ星域を見つめ、約 150,000 個の星の明るさを継続的かつ同時に監視します。直径も0.95mと大きいです。これにより、光子計数に固有のノイズが減少し、地球とほぼ同じサイズの惑星の明るさのわずかな変化を測定できるようになります。
ケプラーは、より小さく、より低温で、(生命に関する限り) 興味深い惑星、岩石が多く、半径が地球の 2 倍より小さい惑星に近づくことを可能にします。私たちは、星からの距離が表面に液体の水を可能にする惑星に特に関心があります。そのような惑星はハビタブルゾーンと呼ばれる領域にあります。ハビタブル ゾーンの範囲 (およびそこに含まれる惑星の温度) は、星明かり (明るすぎたり暗すぎたりしてはなりません) だけでなく、地球の二酸化炭素レベルを調節する地球化学サイクルによっても制御されます。惑星の大気。地球のバージョンは、炭酸ケイ酸塩サイクルです。このようなサイクルは、ハビタブル ゾーン全体の温度を氷点下より上に保ち、必要に応じて温室効果ガス濃度を増減させて温度を一定に保ちます。たとえば、焚き火の隣でセーターを着たり脱いだりします。
ケプラーは最近、ハビタブル ゾーン内に最初の 2 つの岩石トランジット惑星を発見しました。両方の惑星はケプラー 62 系にあり、約 1,200 光年離れており、少なくとも 3 つの他の惑星を含んでおり、すべて星に近いです。しかし、興味深い惑星を見るために必ずしも遠くまで移動する必要はありません。巨大な距離は、ケプラーが統計ミッションであり、十分なデータを収集するために多くの星が含まれる空の一部を精査する必要があるという、かなり平凡な理由の結果です。これにより、一定の視野でより多くの星を含む空の遠くの部分を見る必要がありました。光速でも1200光年はかなり遠い。シャルルマーニュが光速の船で離陸していたら、ちょうど今そこに到着していたでしょう!
ケプラーは私たちにとって始まりに過ぎませんでした。 NASA は、2017 年に打ち上げられる太陽系外惑星探査衛星 (TESS) を選択しました。 TESS はある意味で「全天」ケプラーです。 1 つの狭い視野を選び出すのではなく、全天で最も近くて最も明るい星の周りを通過する小さな太陽系外惑星を探します。 TESS は最初の 2 年間で全天をスキャンします。1 年は北の空、もう 1 年は南の空です。何千光年も離れた場所ではなく、太陽系の近隣にある惑星に私たちを連れて行ってくれます。これらの惑星は、非常に近くにあるため、または星が明るいため、明るくなります。つまり、次世代の望遠鏡を構築すれば、それらの大気を調査できるようになるということです。
系外惑星に十分近づいてその大気を見分けることは、エキサイティングな見通しです。通過中の惑星がその星の私たちの視界を遮ると、その星の光の一部が惑星の大気を通してフィルタリングされます.これにより、特徴的な吸収スペクトルが生成されます。私たちが測定した光は、惑星の大気中の原子や分子を励起するために使用されるエネルギーの欠落を示しています。現在私たちが持っている最大の望遠鏡は、10 メートルの鏡を 2 つ備えたハワイのツイン ケック望遠鏡や、直径 2.4 メートルのハッブル望遠鏡のように、すでにこのスペクトルを使用して、熱い木星の大気中のガスの一部を検出することができます。地球に似た小さな岩石の惑星で同様の観測を行うには、ハッブルに続く 6.5 メートルのジェイムズ ウェッブ宇宙望遠鏡や、20 メートルから 40 メートルの鏡を備えた新しい地上望遠鏡など、より大きな望遠鏡が必要です。 2025 年までに運用可能になります。
これらの大気の痕跡に隠されているのは、生命が息を吸ったり吐いたりしている証拠かもしれません。地球を遠くから見ているエイリアンにとって、この明確なスペクトルの指紋は、酸素 (またはオゾン)、酸素と反応するガス (メタンやその他の還元ガスなど)、および水の組み合わせになります。したがって、他の惑星で同じ署名を探します。還元ガスの存在は、私たちが観察する酸素が、反応するものが何もないためにただくっついているだけではないことを私たちに納得させます.酸素が還元ガスと反応している場合、酸素を補充するために何か (できれば生命!) が継続的に大量の酸素を生成する必要があります。地質学的プロセスがそうする方法はまだ見つかっていません。したがって、これら 3 つのガス (酸素、オゾン、還元ガス) の組み合わせが生命の兆候となります。
惑星の大気の構成要素と自転速度がわかれば、気象パターンや、表面の環境について考えることができます。他の世界の成層圏に二酸化硫黄を噴出する巨大で爆発的な火山が検出可能になる可能性があり、それらの地質学的歴史を研究して地球のものと比較することができます。つまり、比較惑星学を始めることができます。私たち自身の地質学的記録に基づいて変化する地球のスペクトル指紋は、何光年も離れた世界で何が起こっているかについての洞察を私たちに与えることができます.
これは、私たちが用意しているかもしれないものです。しかし、未来に目を向けると、最も大胆な惑星探査機のことを思い出します。ボイジャー 1 号は 1977 年 9 月に旅を開始し、当時画期的だった 10 個の機器を搭載しました。 2 つのボイジャー ミッションでは、22 の新しい衛星、天王星と海王星の磁気圏、イオの活発な火山活動、木星の輪、海王星の大規模な嵐が発見されました。ボイジャーの各ミッションでは、地球の写真、海岸に打ち寄せる波の音、ブラインド ウィリー ジョンソンの写真を含む、金メッキの視聴覚レコードが運ばれました。
しかし、おそらく最も注目に値するのは、1990 年に太陽系外縁部の特徴を明らかにする任務を完了した後、ボイジャーが向きを変えて地球の息をのむような写真を撮ったことです。初めて、何十億マイルも離れたところから私たち、または別の地球がどのように見えるかを垣間見ることができました。宇宙に浮遊し、周囲の広大さの中で小さく見え、どういうわけか失われた淡い青色の点です。しかし、地球には信じられないほど多様な生命体が生息しており、そのうちのいくつかは星を見上げて、他の惑星に生命が存在する可能性があるかどうか疑問に思っています。今日まで、ボイジャーによる地球の写真は、これまでに地球上で撮影された最も遠い写真です。
地球は、天の川銀河にある数十億の惑星の 1 つにすぎないことがわかっています。ハビタブル ゾーンでより多くの岩石惑星を発見し、それらのスペクトル フィンガープリントを読み取るためのより強力な望遠鏡を構築するにつれて、私たちは真に重要な何かの危機に瀕していることに気付きます。
リサ・カルテネッガーは、マックス・プランク天文学研究所の研究グループリーダーであり、ハーバード・スミソニアン天体物理学センターの研究者です。
