遠い異星の大気を測定し、生命の存在可能性を突き止める

2024年4月9日

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地球上の生命は6つの重要な元素に依存している：炭素、水素、窒素、酸素、リン、硫黄である。これらの元素はCHNOPSと呼ばれ、いくつかの微量栄養素と液体の水とともに、生命に必要なものである。

科学者たちは、ハビタビリティの最も基本的なシグナルである、表面に液体の水が存在するのに十分暖かいかもしれない太陽系外惑星を検出する手ごたえをつかみつつある。しかし現在、彼らは太陽系外惑星の大気中にCHNOPSを発見することで、そのレベルを上げようとしている。

我々は、太陽系外惑星がどのように生命を育むことができるかを理解し始めたばかりである。我々の理解を深めるためには、惑星大気中のCHNOPSの利用可能性を理解する必要がある。

この問題を検討した新しい論文が発表された。タイトルは”Habitability constraints by nutrient availability in atmospheres of rocky exoplanets“（岩石系太陽系外惑星の大気における栄養素の利用可能性による居住性の制約）である。筆頭著者は、ウィーン大学天体物理学科のOliver Herbortで、ARIELのポスドクである。論文はInternational Journal of Astrobiologyに受理された。

現在の技術レベルでは、太陽系外惑星の大気を調べ始めたばかりである。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）はそのための主要なツールであり、得意としている。しかし、JWSTは他の作業で忙しい。2029年、ESAはARIEL（大気リモートセンシング赤外線太陽系外惑星大サーベイ）を打ち上げる。ARIELは、太陽系外惑星の大気だけに焦点を当てる。

ESAの宇宙望遠鏡ARIELの想像図。ARIELは4年間のミッションの間に、トランジット法で1000個の太陽系外惑星の大気を調査する。組成と熱構造の両方を研究し、特徴を明らかにする。 (Credit: ESA)

その望遠鏡のミッションを見越して、Herbortと彼の共同研究者たちは、その結果と、それがハビタビリティにとって何を意味するのかを準備している。「惑星そのものの詳細な理解は、観測の解釈、特にバイオシグネチャーの検出にとって重要になります」と彼らは書いている。特に、彼らは空中生物圏のアイデアを精査している。「我々は、水雲凝縮物の存在を示す大気中のこれらの栄養素の存在を理解することを目指しており、空中生物圏の存在を可能にする可能性があります」。

我々の姉妹惑星である金星の表面は生存不可能である。極端な熱と圧力のため、この惑星の表面は、我々が判断できるどのような尺度によっても居住不可能である。しかし、一部の科学者は、生命の指標となりうるホスフィンの検出を主な根拠として、金星の大気中に生命が存在する可能性を提唱している。これは、空中生物圏がどのように見えるかの一例である。

金星を描いた芸術的な印象。マサチューセッツ工科大学（MIT）やカーディフ大学などの天文学者は、ホスフィンを検出することで、金星の大気中に生命の痕跡を観測した可能性がある。その後の研究はこの発見に同意しなかったが、この問題は現在も進行中である。(Credit: ESO (European Space Organization)/M. Kornmesser & NASA/JPL/Caltech)

「この空中生物圏の概念は、地表に液体の水が存在する惑星から、液体の水雲を持つすべての惑星へと、居住可能性の可能性を広げるものです」と著者たちは説明する。

著者らは、空中生物圏という考え方と、CHNOPSの検出がどのように関わってくるかを調べた。彼らは、太陽系外惑星大気における栄養素の利用可能レベルという概念を導入した。彼らの枠組みでは、水の存在は他の栄養素の有無に関係なく必要である。「水の凝縮物がない大気は居住不可能と考えた」と彼らは書いている。研究者たちは、CHNOPSの栄養素の存在と量に基づいて、居住可能性の異なるレベルを割り当てた。

この表は、著者らが考える大気中の栄養素の利用可能性を示している。最上段が示すように、水がなければ大気は居住不可能である。栄養素の組み合わせによって、居住可能性は異なる。“red”は酸化還元を表し、“ox”はCO2、NOx、SO2の酸化状態の存在を表す。(Credit: Herbort et al. 2024.)

栄養塩の利用可能性の枠組みを探るため、研究者たちはシミュレーションを行った。シミュレートされた大気はさまざまなレベルの栄養素を含んでおり、研究者たちは栄養素の利用可能性の概念を適用した。この結果は、ハビタビリティではなく、ハビタビリティの化学的可能性を理解することを目的としている。惑星の大気は、生命によって劇的に変化する可能性があり、この研究は、生命の大気の可能性を理解することを目的としている。

「我々のアプローチは、生命が存在する惑星のバイオシグネチャーや大気を理解することを直接の目的としているのではなく、生命誕生前の化学が起こりうる条件を理解することを目的としています」と彼らは書いている。彼らの研究では、栄養素が利用できる最小大気濃度は 10 ^-9、または 1 ppb (10 億分の 1) とのことだ。

「われわれは、液体の水が安定している（pガス、Tガス）点におけるほとんどの大気において、CNSを含む分子は10.9以上の濃度で存在することを発見した」と、研究者らは書いている。彼らはまた、炭素はどのシミュレーション大気にも存在し、硫黄は表面温度とともに増加することも発見した。表面温度が低いと、窒素（N₂、NH₃）の存在量は増加する。しかし、表面温度が高くなると、窒素は枯渇する。

リンは別問題である。「CHNOPS元素の制限元素はリンであり、そのほとんどは惑星地殻に結合している」と、研究者らは述べている。著者らは、過去の地球大気圏では、リンの欠乏が生物圏を制限していたことを指摘している。

空中生物圏は興味深いアイデアである。しかし、太陽系外惑星の大気を発見しようとする科学者の努力の主眼ではない。地表の生命体こそ、彼らの聖杯なのだ。それは、あらゆることを考慮しても、やはり液体の水に行き着くのは驚くべきことではない。「以前の研究と同様に、我々のモデルは、惑星表面での居住性の制限因子が液体の水の存在であることを示唆している」と著者らは書いている。彼らの研究では、地表の水が利用可能な場合、CNSは地表近くの低層大気中で利用可能であった。

しかし、表層水は大気化学においていくつかの役割を果たしている。ある状況下では栄養塩と結合し、栄養塩を利用できないようにし、またある状況下では栄養塩を利用できるようにする。

「水が地表で利用可能な場合、気相に存在しない元素は地殻凝縮物に貯蔵されます」と著者たちは書いている。そして化学的風化作用によって、栄養素として利用できるようになる。「これは、多くの生物学的プロセスを駆動する酵素に使用される大気中のリンと金属の不足を克服する経路を提供する。

ハイセアン世界の表面の想像図。ハイセアン世界はまだ仮説の段階で、大きな海と、熱を閉じ込める水素を多く含む厚い大気を持つ。地表のない世界が生命を維持できるかどうかは不明である。(Credit: University of Cambridge)

このことは、海に覆われた世界では問題を複雑にする。水や岩石が大気と相互作用する機会がなければ、生物以前の分子は利用できないかもしれない。「陸地が露出していない水の海で生命が形成されることが証明されれば、この制約は弱くなり、地表の居住性の可能性は主に水の安定性の問題になります」と著者たちは書いている。

大気中に液体の水が存在するという驚くべきモデルもある。「モデルの多くは、大気中に液体の水が存在することを示している。このような領域は、空中生物圏のような形の生命形成にとって興味深いものである可能性があります」とHerbortたちは書いている。

このような研究からわかることは、惑星の大気は非常に複雑で、時間とともに劇的に変化する可能性があるということだ。この研究は、そのすべてを理解しようとする上で理にかなっている。その複雑さを際立たせているのは、研究者たちが恒星からの放射線を計算に入れなかったことだ。恒星からの放射線を含めると、この研究は扱いにくくなるだろう。

ハビタビリティの問題は複雑で、基本的な疑問に対する答えがないために混乱している。CHNOPSの栄養素を利用するためには、惑星の地殻が水や大気と接触していなければならないのだろうか？地球には一時的な空中生物圏がある。空中生物圏は太陽系外惑星のハビタビリティの重要な一部となり得るのだろうか？

しかし、シミュレーションやモデルは強力であるが、それ以上に科学者が最も必要としているのは、より多くのデータである。ARIELが打ち上げられれば、科学者はより多くのデータを手に入れることができる。このような研究は、ARIELが発見したものを科学者が理解するのに役立つだろう。

この記事は、EVAN GOUGH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。