太陽系外惑星の探査における最大の課題の一つは、生命が存在できる環境（habitable）と、実際に生命が存在する環境（inhabited）をどう見分けるかという問題だ。表面に液体の水が存在すると考えられる岩石惑星が見つかり、その大気から特定の気体が検出されたとしても、それだけで生命の存在を裏付けることはできない。検出された気体が生物の代謝によって生じたものなのか、それとも火山活動や大気中の化学反応など、生物が関与しない過程だけで説明できるのかを判断する必要がある。
この問題を検討するため、ワシントン大学の博士課程在籍中に研究を行ったSamantha Gilbert-Janizek氏（現カリフォルニア大学リバーサイド校博士研究員）らの研究チームは、生命が存在しない地球を想定した惑星全体の結合モデルを開発した。核、マントル、地殻、海洋、大気の間で起こる熱と物質の移動を連動させ、地球形成から約5000万年後を起点に、現在より約5億年先に当たる形成後50億年までの進化を再現するものだ。
研究成果は、2026年9月18日付の学術誌『The Planetary Science Journal』に掲載された（DOI: 10.3847/PSJ/ae9d79）。プレプリント（arXiv:2602.02267）を経て正式に出版されたこの研究は、新たな系外惑星の観測結果を報告したものではない。生命が存在しなくても、地球に似た惑星が長期間にわたって温暖で湿潤な気候を維持できるのかを、数値シミュレーションによって検証した研究である。その成果は、将来の系外惑星探査で生命活動に由来する兆候を見極めるための、非生物学的な比較基準となる可能性がある。
惑星形成から50億年の進化を再現する結合モデル
惑星の大気組成は、大気中の化学反応や気象現象だけで決まるわけではない。マントルから放出される火山ガス、海洋と地殻の間で進む風化反応、恒星から受け取るエネルギーの変化など、さまざまな過程が相互に影響している。しかし、従来の系外惑星モデルの多くは、大気だけを取り出して静的に計算するか、マントル対流などの内部物理を独立して扱っていた。惑星内部の長期的な変化と地表の気候を一貫して計算することは、容易ではなかった。
今回の研究の特徴は、惑星進化コード「VPLanet」と、大気の放射対流平衡を計算する気候モデル「Clima」を結合した点にある。VPLanetが扱う核から地殻までの地球物理学的な過程と、Climaによる大気の放射・対流計算を連動させ、惑星全体の進化を1次元モデルで追跡する。計算は、地球形成直後のマグマオーシャンが凝固したと想定される形成後約5000万年の状態から始まり、形成後50億年まで進められた。
大気の基本条件として、1 barの窒素（\mathrm）を背景気体に設定し、温室効果ガスである二酸化炭素（\mathrm）と水蒸気（\mathrm）の変化を中心に計算した。太陽の進化に伴う光度や有効温度の変化も取り込み、中央海嶺からの脱ガス、沈み込み帯を通じた炭素の循環、大陸地殻のケイ酸塩風化による大気中の\mathrmの固定などを連動させている。これにより、惑星内部の熱的な変化が火山活動や炭素循環に影響し、最終的に地表温度を変化させる過程を追跡できるようにした。
モデルの検証基準には、現在の地球ではなく、産業革命前の地球が採用された。モデル時間45億年における状態を産業革命前の地球に対応させ、大気中の\mathrm濃度が約280 ppmだった時代の気候や地球内部の状態との整合性を確認している。現在の地球大気は人間活動による化石燃料の消費などによって急速に変化しているため、研究チームは人為的な影響が小さい産業革命前の状態を、自然の炭素循環を評価する基準とした。
ただし、産業革命前の地球を再現できたからといって、未知の系外惑星についても同じ精度で予測できるとは限らない。モデルには、雲の光学的な厚さや炭酸塩の溶解特性など、産業革命前の地球の状態に合わせて調整したパラメータが含まれる。また、初期地球の大気組成や地質環境には大きな不確実性があり、形成初期の環境が正確に再現されたことまで検証されたわけではない。
19項目の検証で17項目が誤差範囲内に一致
研究チームは、モデル時間45億年に達した時点の計算結果を、産業革命前の地球について設定した19項目の観測目標値と比較した。その結果、17項目が目標値の不確実性の範囲内に収まり、残る2項目も正規分布を仮定した場合に約2標準偏差（）以内の差にとどまった。
地表平均温度の計算値は286.9 Kで、産業革命前の推定値286.9 ± 0.1 Kと一致した。大気中の二酸化炭素分圧も28.2 Paとなり、目標値の28.4 ± 0.4 Paに近い結果が得られている。さらに、上部マントルからの熱流量は38 TWと計算され、目標値の38 ± 3 TWと一致した。地表の気候だけでなく、惑星内部の熱輸送についても、設定した基準に沿う結果が得られたことになる。
一方、目標値の不確実性の範囲から外れたのは、海洋中の溶存二酸化炭素濃度と水素イオン指数（pH）の2項目だった。溶存\mathrm濃度は目標値の8 ± 2 \mathrm}に対して10.8 \mathrm}となり、やや高い値を示した。海洋表面のpHも目標値の8.18 ± 0.05に対して8.28となり、想定よりアルカリ性に偏っている。論文では、こうした差が生じた要因の一つとして、方解石（カルサイト）の沈殿と溶解を1次元モデルで簡略化していることを挙げている。
| 評価指標（モデル時間45億年） | 産業革命前の地球の目標値 | 生命不在モデルの計算値 | 評価と留意点 |
|---|---|---|---|
| 地表平均温度 | 286.9 \pm 0.1,\mathrm | 286.9,\mathrm | 誤差範囲内で一致。ただし、雲のパラメータは目標温度に合わせて調整されている |
| 大気中の\mathrm分圧 | 28.4 \pm 0.4,\mathrm | 28.2,\mathrm | 誤差範囲内で一致。設定した炭素循環の収支と整合している |
| 上部マントル熱流量 | 38 \pm 3,\mathrm | 38,\mathrm | 誤差範囲内で一致。マントルの熱輸送についても目標値を再現 |
| 海洋溶存\mathrm濃度 | 8 \pm 2,\mathrm} | 10.8,\mathrm} | 目標値より約高い。炭酸カルシウムの沈殿・溶解過程の簡略化が影響した可能性 |
| 海洋表面pH | $8.28$ | 目標値より約高い。溶存無機炭素やカルシウム濃度の扱いに課題が残る |
研究チームはさらに、将来の宇宙望遠鏡による系外惑星観測を想定し、生命の存在しない地球が宇宙からどのように見えるかを計算した。使用したのは、大気中での光の吸収や散乱を計算する放射伝達コード「PICASO」である。波長0.2〜2.0 \mathrmの反射光スペクトルを、位相角90度、雲量50%の重み付け、波長分解能という条件で生成した。
| 大気成分 | 生命が存在する地球 | 生命不在モデル | スペクトル上の特徴と解釈 |
|---|---|---|---|
| 水蒸気（\mathrm） | 明確な吸収帯がある | 明確な吸収帯がある | 両者に共通して現れる。大気中の水の存在を示すが、液体の水の直接的な証拠ではない |
| 二酸化炭素（\mathrm） | 明確な吸収帯がある | 明確な吸収帯がある | 両者に共通して現れる。生命がなくても大気中に存在する |
| 酸素（\mathrm） | 顕著な吸収帯がある | 吸収特徴が現れない | 光合成による酸素供給がないため、モデルでは有意な蓄積が起こらない |
| オゾン（\mathrm） | 紫外・可視域に強い吸収がある | 吸収特徴が現れない | 酸素がほとんど存在しないため、オゾンによる吸収も現れない |
| メタン（\mathrm） | 特徴的な吸収帯がある | 吸収特徴が現れない | 生物による大量の放出がなく、モデルでは顕著な吸収を生じる濃度に達しない |
合成スペクトルを比較すると、生命が存在しない地球でも、水蒸気と二酸化炭素による明確な吸収帯が現れる。一方、現在の地球大気に見られる酸素やオゾンの吸収特徴は、生命不在モデルには現れなかった。また、現在の地球では微生物などによって大量に生成されるメタンについても、生命不在モデルでは顕著な吸収が確認されなかった。
この結果は、水蒸気や二酸化炭素が検出されたとしても、それだけでは生命の存在を判断できないことを改めて示している。ただし、酸素やメタンが検出されない惑星に生命が存在しないと断定できるわけでもない。観測可能な大気組成は、その惑星の生物活動だけでなく、地質活動や大気化学、恒星からの放射環境にも左右されるからだ。
なお、今回のスペクトル計算は、あらかじめ設定された大気組成から光の吸収や散乱を求める「順問題（フォワード計算）」である。実際の観測データに含まれるノイズを考慮し、そこから大気組成を推定する逆解析（インバージョン解析）を行ったものではない。NASAが構想する将来の宇宙望遠鏡「居住可能世界天文台（Habitable Worlds Observatory：HWO）」などでの観測方法を検討する際に役立つ理論的な結果ではあるが、実際の観測によって確認されたわけではない。
生命のない地球を再現するために置かれた4つの仮定
生命が存在しなくても地表に液体の水を維持できるという結果は、モデルに組み込まれた複数の前提条件に依存している。現実の惑星がこれらの条件を満たさなければ、計算結果とは異なる進化をたどる可能性がある。
第一の前提は、45億年以上にわたって活発なプレートテクトニクスが継続することだ。地球の長期的な炭素循環では、海洋地殻の沈み込みによって炭酸塩が地球内部へ運ばれ、火山活動を通じて二酸化炭素が大気へ戻される。この循環と地表のケイ酸塩風化が組み合わさることで、大気中の温室効果ガス濃度が長期的に調整される。
しかし、初期地球の冥王代や始生代に、現在と同じような沈み込み帯が存在していたかについては議論が続いている。プレート運動が活発でない「スタグナントリッド（停滞リッド）」と呼ばれる状態だった可能性も指摘されている。今回のモデルではプレート運動が継続することを前提としており、惑星の歴史の途中でプレートテクトニクスが停止したり、別の地質活動様式へ移行したりする場合は扱っていない。
第二の前提は、宇宙空間への大気散逸を考慮していないことだ。特に、惑星磁場と恒星風の相互作用などによって大気が失われる過程は、計算から除外されている。地球と同程度の質量や磁場を持つ惑星では、大気散逸の影響を小さいものとして近似できる条件もあるが、すべての惑星に当てはまるわけではない。
例えば、赤色矮星（M型星）の近くを公転する惑星は、恒星からの強い放射やフレアにさらされる可能性がある。こうした環境では、大気中の水や窒素などが失われ、地表環境が大きく変化することも考えられる。大気散逸を含まない今回のモデルを、そのまま赤色矮星の周囲にある惑星へ適用することはできない。
第三の前提は、非生物学的なメタン生成を気候の主要な要因として扱っていないことだ。地球では、かんらん岩などが水と反応する蛇紋岩化作用に関連して、生物が関与しないメタン生成が起こる場合がある。しかし、こうした過程によるメタンの供給は、現在の地球における生物起源の放出量と比べて非常に小さいと考えられている。そのため、今回のモデルでは主要な温室効果ガスを\mathrmと\mathrmに絞っている。
もっとも、初期地球の気候を考えるうえで、非生物起源のメタンがどの程度の役割を果たしたかは、なお議論の余地がある。特に、太陽の光度が現在より低かった時代に、メタンなどの温室効果ガスが地表の温暖化にどれほど寄与したのかは、初期地球の気候を理解するうえで重要な問題となっている。
第四の限界は、1次元モデルにおける雲と風化の扱いにある。1次元気候モデルでは、大気の循環や雲の地域的な分布を直接再現できない。そのため、研究チームは産業革命前の地球の温度を再現できるように、雲の反射特性を表すパラメータを調整している。これは、計算結果が実際の地球に近づく一方で、未知の惑星に対する予測には不確実性が残ることを意味する。
さらに、大陸の風化速度を計算するモデルにも、植物や土壌微生物が存在する地球のデータが参照されている。生命が存在しない岩石地表で、実際にどの程度の速さで化学風化が進むのかについては、直接比較できる観測データが十分にない。生物活動を除外したモデルであっても、そのパラメータの一部には生命が存在する地球の環境に基づく知見が反映されているわけだ。
したがって、今回の研究が示したのは、地球と同じ質量や初期組成を持ち、プレートテクトニクスが継続する惑星であれば、生命が存在しなくても長期間にわたって液体の水を維持できる可能性があるという、条件付きの結果である。生命が存在しなかった場合の地球が、必ずこのような歴史をたどったと証明したものではない。
観測結果がモデルと異なれば生命が存在するのか
この生命不在モデルは、将来の系外惑星探査でどのように役立つのだろうか。宇宙望遠鏡によって未知の岩石惑星の大気スペクトルが得られた場合、研究者はその惑星の質量や軌道、主星の光度などを手掛かりに、非生物学的な過程だけでどのような大気が形成されるかを検討できる。今回の研究は、そうした比較に必要な理論的な枠組みの一つとなる。
仮に観測された大気組成が生命不在モデルの予測と一致したとしても、その惑星に生命が存在しないとは結論づけられない。今回のモデルは非生物学的な惑星進化の一例を計算したものであり、考えられるすべての地質環境や大気組成を網羅しているわけではないからだ。また、実際に生命が存在していても、その活動が大気全体の組成を変えるほど大規模でなければ、遠方からの観測では生命のない惑星と区別できない可能性がある。
反対に、観測結果が生命不在モデルの予測から大きく外れた場合も、それだけで生命の存在が証明されるわけではない。モデルに含まれていない鉱物の化学反応や大気散逸、あるいは初期条件の設定が適切でないことによっても、予測と観測の間に差が生じる可能性がある。大気中に説明の難しい気体の組み合わせが見つかったとしても、まずは既知の非生物学的な過程で説明できないかを慎重に検証する必要がある。
こうしたモデルが果たす重要な役割は、生命の存在を直接判定することではなく、追加観測を優先すべき惑星を絞り込むことにある。地質活動や大気化学だけでは説明しにくい観測結果が得られた場合、その原因が未知の非生物学的な現象なのか、それとも生物活動によるものなのかを詳しく調べる手掛かりになる。限られた宇宙望遠鏡の観測時間をどの惑星に割り当てるべきかという判断にも、将来的に役立つ可能性がある。
ワシントン大学のプレスリリースでは、共著者のRory Barnes准教授が、惑星の核から大気までを一体的にモデル化したことで、今後の惑星シミュレーションに対する信頼が高まったと説明している。ただし、これは研究チームによる評価であり、未知の系外惑星についてモデルの予測精度が観測によって実証されたことを意味しない。生命の存在可能性を確実に判定できる方程式は、現在も確立されていない。特定の気体が検出されたという理由だけで生命の存在を判断することは、依然として難しい。
今回の研究の意義は、生命が存在する惑星の特徴を直接探るのではなく、生命がなくても成立する惑星環境を詳しく調べた点にある。地質活動や大気化学だけでどこまで地球に似た環境を維持できるのかが分かれば、生命活動に由来する変化を見極めるための基準も明確になる。今後は、プレートテクトニクスの停止や大気散逸、異なる恒星環境などを取り入れ、モデルの適用範囲を広げられるかが課題となる。生命の存在しない惑星で起こりうる現象を一つずつ明らかにすることが、遠く離れた惑星に生命の痕跡を見つけるための重要な一歩となる。