6 年前、霧雨が降るシアトルのある朝、喫茶店に身を寄せていた宇宙生物学者のショーン・ドーマガル＝ゴールドマンは、まひした状態でラップトップの画面をぼんやりと見つめていました。彼が進化する惑星のシミュレーションを実行していたとき、仮想惑星の大気中に突然酸素が蓄積し始めました。濃度を 0 から 5 から 10 パーセントに上げます。
"何か間違えている？"彼の妻は尋ねました。
「ええ」
酸素の上昇は、地球外生命体の探索にとって悪いニュースでした。
NASA の宇宙生物学者であるリン ロスチャイルドが言うように、宇宙で私たちは孤独なのだろうかと何千年も疑問に思った後、「『夕食に何を食べますか?』という人類の最も深遠な、おそらく最も初期の疑問」の 1 つとなったのです。他の惑星では現在、深刻な方法で増加しています。太陽以外の恒星を周回する系外惑星、または惑星が過去 10 年間に何千も発見されています。その中には、潜在的なスーパーアース、サブネプチューン、ホットジュピター、ケプラー 452b などの世界があり、ここから 1,400 光年離れた場所にあり、おそらく岩が多く水のような「地球のいとこ」です。 2018 年に予定されている NASA のジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡の打ち上げにより、天文学者は光年を超えて覗き込み、最も有望な太陽系外惑星の大気を調べることができるようになります。彼らは、エイリアンの生命によってのみ生成される可能性のある蒸気である「バイオシグネチャーガス」の存在を探します.
彼らは、太陽系外惑星が親星の前に位置しているときに、太陽系外惑星の周りの星の光の薄い輪を観察することによってこれを行います。太陽系外惑星の大気中のガスは、星の光の特定の周波数を吸収し、スペクトルに明らかなくぼみを残します.
Tom Hurwitz と Richard Fleming による撮影。 Ryan Griffin による編集とモーション グラフィック。 NASA、ヨーロッパ南天天文台、クリエイティブ コモンズからのその他のグラフィックスと画像。 Podington Bear による音楽
理論ビデオ: David Kaplan が、遠い惑星でエイリアンの生命体を探す最善の方法を探ります。
当時ワシントン大学の仮想惑星研究所 (VPL) の研究者だった Domagal-Goldman がよく知っていたように、バイオシグネチャー ガスのゴールド スタンダードは酸素です。酸素は地球の植物相によって豊富に生成されるだけでなく、おそらく他の惑星によっても生成されるだけでなく、地質学や光化学だけでは検出可能なレベルで酸素を生成することはできず、偽造防止の署名であると 50 年間の常識が保たれてきました。生活。 Domagal-Goldman のシミュレートされた世界の空は酸素で満たされていましたが、これはそこでの生物学的活動の結果ではなく、極端な太陽放射が空気中の二酸化炭素分子から酸素原子を再結合するよりも速く剥ぎ取ったためです。結局、この生体署名は偽造される可能性があります。
VPL を率いるオーストラリアの発電所、ビクトリア メドウズ氏は、遠く離れた太陽系外惑星の周りでバイオシグネチャー ガスを探すことは、「本質的に面倒な問題です」と述べています。 Domagal-Goldman の発見以来、Meadows は 75 人の彼女のチームに、系外惑星で発生する可能性のある主要な「酸素の誤検知」を特定すること、およびこれらの誤報を生物活動の真の酸素の兆候と区別する方法を課してきました。メドウズは、酸素が最良のバイオシグネチャーガスであると今でも考えています。しかし、彼女は、「これを探すつもりなら、それを見たときに自分が何を見ているのかを知っていることを確認したい.」
一方、マサチューセッツ工科大学の「双子の地球」の熱心なハンターであるサラ・シーガーは、系外惑星の大気を分析するためのスペクトル技術を発明したことで広く認められており、バイオシグネチャーガスの研究を別の方向に進めています。シーガーは、酸素が有望であることを認めていますが、彼女は宇宙生物学コミュニティに、エイリアンの生命がどのように機能するかという観点から、地球中心ではなく、地球の地球化学と私たちが呼吸する特定の空気を超えて考えるよう強く求めています. 「私の見解は、私たちは一石一石を未加工のままにしたくないということです。すべてを考慮する必要があります」と彼女は言いました。
将来の望遠鏡が地球のような世界の調査を拡大するにつれて、潜在的なバイオシグネチャーガスが遠くの空で検出されるのは時間の問題です.それは史上初の発見のように見えるでしょう:私たちが一人ではないという証拠.しかし、どうすれば確実にわかるのでしょうか?
科学者は、ジェームス ウェッブ望遠鏡でターゲットとする最適な太陽系外惑星を選択する場合、モデルをすばやく改良し、注意事項に対処する必要があります。各惑星の大気のスペクトルを調べるのに何百時間もかかることと、その時間に多くの競合する要求があるため、望遠鏡は、近くの星の居住可能な「ゴルディロックス」ゾーンにある1つから3つの地球のような世界しか観測しない可能性があります.増え続ける既知の太陽系外惑星のリストから選択する際に、科学者は、酸素の誤検知が発生する惑星の状況を避けたいと考えています。 「卵をすべて 1 つのバスケットに入れることはできませんが、少なくとも数個のバスケットに入れることを検討しています」と Meadows 氏は言います。特に、どのようにだまされるかについてです。」
息吹
酸素は、NASA で火星の生命を検出する方法に取り組んでいた 1965 年に化学者 James Lovelock が最初にバイオシグネチャー ガスを考えて以来、ゴールド スタンダードと見なされてきました。フランク・ドレイクやその他の宇宙生物学のパイオニアたちが、遠く離れた地球外文明からの電波信号を検出しようとしたとき — 地球外知的生命体探索 (SETI) と呼ばれる進行中の取り組み — ラブロックは、他の惑星に生命が存在することは、適合しないガスを探すことによって推測できると推論しました。彼らの雰囲気で。互いに反応する 2 つのガスが両方とも検出された場合、何らかの活発な生化学が惑星の大気供給を継続的に補充しているに違いありません。
地球の場合、大気中や地表中の炭化水素やミネラルと容易に反応して、水と二酸化炭素、二原子酸素 (O2 ) は大気の 21% を占めています。酸素は、植物、藻類、シアノバクテリアなどの地球の光合成生物によって空に注がれるため、持続します。彼らは日光を利用して水分子から水素原子を取り除き、炭水化物を構築し、酸素副産物を廃棄物として放出します.光合成が止まると、空に存在する酸素が地殻の元素と反応し、1,000 万年で微量レベルまで低下します。最終的に、地球は二酸化炭素で満たされた空気と錆びて酸化した表面を持つ火星に似たものになるでしょう。ラブロックは、火星に現在生命が存在しない証拠だと主張しました。
しかし、酸素は地球上の生命のトレードマークであるのに、他の場所ではなぜそれが正しいのでしょうか? Meadows は、光合成は、どの生物圏にも広まる可能性が高いほど明確な進化上の利点を提供すると主張している。光合成は、どの惑星でも最大のエネルギー源である太陽を、最もありふれた惑星の原材料である水と二酸化炭素に作用させます。 「超新陳代謝をしたいのなら、日光を利用できるように何かを進化させようとするでしょう。なぜなら、太陽光がそこにあるからです」と Meadows 氏は言いました。
二原子酸素はまた、可視および近赤外線で強い吸収帯を誇っています。これは、80 億ドルのジェームズ ウェッブ望遠鏡と、2020 年代に計画されているミッションである広視野赤外線サーベイ望遠鏡 (WFIRST) の両方の正確な感度範囲です。非常に多くの差し迫った希望が酸素に乗っているため、Meadows は「問題がどこにある可能性が高いか」を知ることを決意しています。これまでのところ、彼女のチームは、大気を酸素であふれさせ、生命に偽陽性をもたらす可能性のある 3 つの主要な非生物学的メカニズムを特定しました。たとえば、小さな若い M 型矮星の周りに形成された惑星では、場合によっては強い紫外線が惑星の海を沸騰させ、水蒸気で厚い大気を作り出すことがあります。高高度では、VPL の科学者が雑誌 Astrobiology で報告したように 昨年、強い紫外線が軽量の水素原子から飛び散りました。その後、これらの原子は宇宙に逃げ出し、地球の大気より何千倍も密度の高い酸素のベールを残します。
M 型矮星は小さいため、その前を通過するはるかに小さな岩石惑星を検出しやすくなるため、来年打ち上げ予定の惑星探査ミッションである NASA のトランシティング系外惑星調査衛星 (TESS) の対象となります。ジェームス ウェッブ望遠鏡が調査する地球型惑星は、TESS の発見の中から選択されます。これらの候補が近づいているので、宇宙生物学者はエイリアンの光合成生物と暴走する海の沸騰を区別する方法を学ばなければなりません。現在出版の準備中の研究で、Meadows と彼女のチームは、四酸素 (O4 ) O2 のときゆるく形成される 分子が衝突します。 O2 の密度が高いほど 大気中では、分子衝突が多く発生し、四酸素信号が強くなります。 「[O4を探すことができます。 ] 20 パーセントの酸素を含む 1 バールの大気だけを見ているわけではないという明確な兆候を示しています」 — 光合成を示唆する地球のような大気 — Meadows 氏は次のように説明しました。
強力な一酸化炭素信号は、Domagal-Goldman が 2010 年の霧雨の朝に最初に遭遇した偽陽性を特定します。現在、メリーランド州グリーンベルトにある NASA のゴダード宇宙飛行センターの研究科学者である彼は、酸素の長期的な影響について心配していないと述べています信頼できるバイオシグネチャーガスとしての見通し。酸素の誤検知はまれなケースでしか発生しない、と彼は言いました。今やっています。」
しかし、彼と他の宇宙生物学者は、酸素の偽陰性、つまり生命を宿しているが、大気中に検出可能な酸素を持たない惑星にも注意を払っています。偽陽性と偽陰性の両方が、Sara Seager に酸素を超えて考え、より風変わりなバイオシグネチャーを探求する必要性を納得させるのに役立ちました.
ガス百科事典
過去 10 年間の多様な系外惑星の発見から何かを学べたとしたら、それは、惑星のサイズ、組成、および化学が劇的に異なるということです。酸素を最終的なバイオシグネチャー ガスとして扱うことで、何かを見逃す可能性があると Seager は主張します。そして、エイリアンの生命の兆候を発見するという個人的な夢を持って、44 歳の彼はそれを守ることができません.
シーガー氏は、地球上でさえ、24 億年前に光合成が地球の酸素吸収源を圧倒し、酸素が空に蓄積し始めるまで、何億年もの間酸素を排出していたと指摘しています。約 6 億年前まで、遠くから酸素レベルだけで判断すると、地球は生命がないように見えたかもしれません。
Meadows と彼女の共同研究者は、酸素発生型光合成に代わるいくつかの方法を研究してきました。しかし、シーガーは、ウィリアム ベインズとヤヌス ペトコウスキーと共に、 彼らが「全分子」アプローチと呼ぶものを擁護しています。彼らは、ガスの形で存在する可能性のある分子の網羅的なデータベースを作成しています。地球上では、これらの分子の多くは、海の通気孔やその他の極端な環境に群がるエキゾチックな生き物によって微量に放出されます。それらは大気中に蓄積しません。ただし、ガスは他の惑星の状況で発生する可能性があります。メタンが豊富な惑星では、研究者が 2014 年に主張したように、光合成はメタン (CH4 ) ではなく、CO2 酸素ではなく水素を放出し、豊富なアンモニアにつながります。 「最終的かつ長期的な目標は、別の世界を見て、生命がその世界で何を生み出すかについて、情報に基づいた推測を行うことです」と、英国の MIT とルーファス サイエンティフィックに時間を割くベインズは述べています。 /P>
Domagal-Goldman は、酸素について深く考えることと、他のすべての生化学的可能性について広く考えることが重要であることに同意します。 「これらすべての驚きは、これらの他の世界の質量、半径、および軌道特性の検出で発生したためです」と彼は言いました。 、「既成概念にとらわれずに考えてみましょう。」これは健全で必要なプレッシャーです。」
しかし、Meadows は、全分子アプローチの実用性に疑問を投げかけています。 Seager のアイデアを批判する 3,000 語の電子メールで、彼女は次のように書いています。また、偽陽性をどのように特定しますか?」彼女は次のように締めくくっています。「地球上の生命と、惑星環境と生命がそれらの環境とどのように相互作用するかについての私たちの理解に引き続き導かれる必要があります。」
人生がどのようなものかを考えると、今のところ、私たちが持っている唯一のデータ ポイントから逃れることは非常に困難です。
不確実なオッズ
2013 年のシンポジウムで、シーガーはドレイクの方程式の改訂版を発表しました。これは、Frank Drake が 1961 年に SETI が成功する確率を測る有名な公式です。ドレイクの方程式は、ほとんど知られていない一連の要因を掛け合わせて、銀河内のラジオ放送文明の数を推定しましたが、シーガーの方程式は、検出可能なバイオシグネチャガスを持つ惑星の数を推定します。知的に宇宙にメッセージを送信できるかどうかに関係なく、あらゆる生命を探す現代の能力により、進化の結果としての知性の希少性や無線技術の銀河的な人気などの不確実性に、私たちの成功の可能性の計算はもはや依存しません。しかし、最大の未知数の 1 つが残っています。それは、私たちのような岩と水に覆われた大気の惑星で最初に生命が誕生する確率です。
ミステリーイベントと呼ばれる「生物発生」は、地球が液体の水を蓄積してから間もなく発生したようであり、生命が好条件の下で容易に、または必然的にさえ始まる可能性があると推測する人もいます.しかし、もしそうなら、生物発生は地球の 45 億年の歴史の中で何度も起こり、DNA ベースの生命の単一培養ではなく、生化学的に異なるいくつかの系統を生み出したのではないでしょうか?生命の起源を研究しているワシントン大学の微生物学者ジョン・バロスは、生物発生が繰り返し起こって、初期の地球で遺伝暗号、構造、代謝の動物群を作り出した可能性があると説明した。しかし、遺伝子交換とダーウィンの選択により、これらの異なる新興企業は単一の系統に統合され、それ以来、地球上の事実上すべての環境に植民地化され、新しい新興企業が定着するのを妨げています.要するに、生物発生がまぐれな出来事なのか、宇宙のどこかでよくあることなのかを判断することは事実上不可能です。
シンポジウムで最後に講演する予定だったシーガーは、アフターパーティーに向けて気さくな調子を整えました。 「私はそれをすべて私たちに有利に考えています」と彼女は言い、生命が地球のような惑星で発生する可能性は 100% であり、これらの生物圏の半分が検出可能なバイオシグネチャー ガスを生成すると仮定しました。これらの非常に楽観的な数字を計算すると、次の 10 年で 2 つの異星人の兆候が見つかるという予測が得られました。 「あなたは笑うべきです」とシーガーは言いました。
Meadows、Seager、および彼らの同僚は、この 10 年間でそのような検出が行われる可能性は低いことに同意しています。将来のミッションで見通しは改善されるでしょうが、ジェイムズ・ウェッブ望遠鏡は、初期の試みで勝者を選ぶために非常に幸運でなければなりません.また、対象となる惑星の 1 つに生命が存在する場合でも、スペクトル測定は簡単に失敗します。 2013 年、ハッブル宇宙望遠鏡は、GJ 1214b と呼ばれる中型惑星の大気を通過する星明かりを監視しましたが、スペクトルは平坦で、化学的な痕跡はまったくありませんでした。 Nature で報告された Seager と彼女の共同研究者 高高度の雲の層が惑星の空を見えなくしているように見えた.
