太陽系外惑星の探査は現在、大きな転換期を迎えている。ケプラー宇宙望遠鏡とTransiting Exoplanet Survey Satellite（TESS）の導入により、科学者たちは何千もの太陽系外惑星を発見したが、そのほとんどは間接的な方法で検出・確認されたものだった。しかし近年、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）の打ち上げに伴い、この分野は特徴を明らかにする方向に移行しつつある。このプロセスにおいて、科学者たちは太陽系外惑星の大気からの発光スペクトルを頼りに、生命に関連する化学的シグネチャー（バイオシグネチャー）を探索する。
しかし、科学者が探すべきシグネチャーの種類については、いくつかの論争がある。基本的に宇宙生物学は、地球外生命の兆候を探す際に地球上の生命をテンプレートとして使用する。これは、太陽系外惑星ハンターが “ハビタビリティ “を測る基準として地球を使用するのと同じである。しかし、多くの科学者が指摘しているように、地球上の生命とその自然環境は、時間の経過とともにかなり進化してきた。最近の論文で、国際チームは、宇宙生物学者が数十億年前の地球に存在したものを基に、TRAPPIST-1eに生命を探す方法を示した。
チームは、地球システム研究所、エクセター大学物理学・天文学部、数学・統計学部、自然科学部の天文学者と宇宙生物学者で構成されている。さらに、ビクトリア大学地球海洋科学部とロンドン自然史博物館の研究者も加わった。彼らの発見を記した論文「Biosignatures from pre-oxygen photosynthesizing life on TRAPPIST-1e」[PDF]は、MNRAS（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）に掲載される。
TRAPPIST-1系は、天文学者が2016年に3つの太陽系外惑星の存在を確認して以来、注目の的となっている。低質量で低温のM型（赤色矮星）を親星とする多くの星系の1つとして、その惑星が居住可能かどうかについて未解決の疑問がある。赤色矮星はフレア活動を起こしやすく、光合成に必要な光子を十分に生成できない可能性がある。
太陽系に最も近い太陽系外惑星（プロキシマb）を含め、赤色矮星の周りを公転する多くの岩石惑星が見つかっていることから、多くの天文学者は、これらの系が地球外生命体を探すのに理想的な場所だと感じている。同時に、これらの惑星は、厚い大気、固有の磁場、十分な熱伝達メカニズム、あるいは上記のすべてを備えている必要があることも強調されている。太陽系外惑星が生命に必要なこれらの条件を備えているかどうかを判断することは、JWSTや、ESOが提案する超大型望遠鏡（ELT）のような他の次世代望遠鏡によって可能になると期待されている。
しかし、このような次世代観測装置を使っても、どのような生命徴候を探すべきかという問題は残る。前述のように、我々の惑星とその大気、そして我々が知っているすべての生命は、過去40億年の間に大きく進化してきた。太古代（約40億〜25億年前）の地球の大気は、二酸化炭素、メタン、火山性ガスが主成分で、嫌気性微生物以外はほとんど存在しなかった。この16億2,000万年の間に初めて多細胞生物が出現し、現在のような複雑な進化を遂げたのである。
さらに、より複雑なレベルに到達するために必要な進化のステップの数（およびその潜在的な難しさ）は、多くの惑星が複雑な生命を発生させない可能性があることを意味している。これは、生命は宇宙で一般的かもしれないが、高度な生命はそうではないかもしれないというグレートフィルター仮説と一致する。その結果、太古代に存在したような単純な微生物生物圏が最も一般的になる可能性がある。そこで重要なのは、原始的な生命と数十億年前の地球で一般的であった条件に一致するバイオシグネチャーを分離するような探索を行うことである。
ビクトリア大学のポスドク研究員で、この研究の主執筆者であるJake Eager-Nash博士は、Universe Today紙に電子メールでこう説明している：
「地球の歴史は、生命が存在する太陽系外惑星がどのようなものかを示す多くの例を提供していると思います。生命が最初に誕生したと考えられている太古代には、酸素を産生する光合成が進化して主要な一次生産者になるまで、最大で約10億年の期間があり、酸素濃度は非常に低かったです。そのため、もし有人惑星が地球と同じような軌跡をたどるとすれば、酸素やオゾンの生物痕跡のないこのような時期に長い時間を費やす可能性があります。
この研究のために、研究チームは、太古代のような条件と、初期の生命体がどのように元素を消費し、他の元素を追加するかを考慮したモデルを作成した。その結果、海洋に生息する単純なバクテリアが水素（H）や一酸化炭素（CO）などの分子を消費し、エネルギー源として炭水化物を、廃棄物としてメタン（CH4）を生成するというモデルが得られた。そして、海洋と大気の間でガスがどのように交換され、水素とCOの濃度が低くなり、CH4の濃度が高くなるかを考えた。 Eager-Nash氏は言う：
「太古代のようなバイオシグネチャーは、メタン、二酸化炭素、水蒸気の存在と、一酸化炭素の不在を必要とすると考えられています。メタンと一酸化炭素の両方が存在する大気は、その大気が不平衡であることを示しています。つまり、大気化学が一方をすべて他方に変換してしまうため、この不平衡を維持する生命体のようなものが存在しない限り、この両種が大気中に一緒に存在することはないはずです。一酸化炭素が存在しないことは、生命がこのエネルギー源を消費する方法をすぐに進化させると考えられるので重要です」。
大気中のガス濃度が高くなると、ガスは海洋に溶け込み、単純な生命体が消費した水素と一酸化炭素を補充する。生物学的に生成されたメタンの濃度が海洋で上昇すると、メタンは大気中に放出され、そこでさらに化学反応が起こり、さまざまなガスが地球上を移動する。このことから、研究チームは大気の全体的な組成を求め、どのバイオシグネチャーが検出されるかを予測した。
「一酸化炭素は、M矮星を周回するアルキアのような惑星の大気中に存在する可能性が高いことがわかりました。これは、太陽を周回する惑星に比べて、宿主星の化学反応によって一酸化炭素の濃度が高くなるためです」と、Eager-Nash氏は説明する。
何年もの間、科学者たちは、太陽系外縁ハビタブルゾーン（CHZ）が、以前の地質時代の地球のような条件を含むように拡張され得るかについて検討してきた。同様に、宇宙生物学者たちは、より古代の生命体（網膜光合成生物など）に関連するバイオシグネチャーのタイプについて、より広い網を張ることに取り組んできた。この最新の研究において、Eager-Nash氏と彼の同僚たちは、太陽に似た太陽や赤色矮星の太陽を周回する太古代の岩石惑星に生命が存在することを発見する可能性のある、一連のバイオシグネチャー（水、一酸化炭素、メタン）を確立した。
論文
この記事は、MATT WILLIAMS氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス（表示4.0 国際）に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。
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