第30章宇宙の生命Life in the Universe

One of the most exciting developments in astronomy during the last two decades is the ability to detect exoplanets—planets orbiting other stars. As we saw in the chapter on the formation of stars and planets, since the discovery of the first exoplanet around a Sun-like main-sequence star in 1995, there have been thousands of confirmed detections, and many more candidates that are not yet confirmed. These include several dozen possibly habitable exoplanets. Such numbers finally allow us to make some predictions about exoplanets and their life-hosting potential. The majority of stars with mass similar to the Sun appear to host at least one planet, with multi-planet systems like our own not unusual. How many of these planets might be habitable, and how could we search for life there?

過去20年間の天文学で最も心躍る進展の一つは、他の恒星を回る太陽系外惑星を検出できるようになったことである。星と惑星の形成の章で見たように、1995年に太陽に似た主系列星を回る最初の太陽系外惑星が発見されて以来、数千個の検出が確認され、さらに多くの未確認候補がある。その中には、生命が生存可能かもしれない系外惑星が数十個含まれる。ようやくこれだけの数がそろい、系外惑星と、そこに生命が生存する可能性について、いくつかの予測を立てられるようになった。太陽と似た質量の恒星の大部分には、少なくとも一つの惑星があるらしい。私たちの太陽系のように、複数の惑星がある系も珍しくない。これらの惑星のうち、どれほどが生存可能なのだろうか。そして、そこで生命をどう探せばよいのだろうか。

In evaluating the prospect for life in distant planetary systems, astrobiologists have developed the idea of a habitable zone—a region around a star where suitable conditions might exist for life. This concept focuses on life’s requirement for liquid water, and the habitable zone is generally thought of as the range of distances from the central star in which water could be present in liquid form at a planet’s surface. In our own solar system, for example, Venus has surface temperatures far above the boiling point of water and Mars has surface temperatures that are almost always below the freezing point of water. Earth, which orbits between the two, has a surface temperature that is “just right” to keep much of our surface water in liquid form.

遠い惑星系での生命の見込みを評価するため、宇宙生物学者はハビタブルゾーンという考え方を発展させてきた。恒星の周囲で、生命に適した条件が存在しうる領域のことである。この概念は、生命に液体の水が必要だという点に注目する。一般にハビタブルゾーンは、惑星の表面に液体の水が存在できる、中心星からの距離の範囲と考えられている。たとえば太陽系では、金星の表面温度は水の沸点よりはるかに高く、火星の表面温度はほとんど常に水の凝固点を下回る。その間を回る地球の表面温度は、地表の水の多くを液体に保つのに「ちょうどよい」。

Whether surface temperatures are suitable for maintaining liquid water depends on a planet’s “radiation budget” —how much starlight energy it absorbs and retains—and whether or how processes like winds and ocean circulation distribute that energy around the planet. How much stellar energy a planet receives, in turn, depends on how much and what sort of light the star emits and how far the planet is from that star,The amount of starlight received per unit area of a planet’s surface (per square meter, for example) decreases with the square of the distance from the star. Thus, when the orbital distance doubles, the illumination decreases by 4 times (2²), and when the orbital distance increases tenfold, the illumination decreases by 100 times (10²). Venus and Mars orbit the sun at about 72% and 152% of Earth’s orbital distance, respectively, so Venus receives about 1/(0.72)² = 1.92 (about twice) and Mars about 1/(1.52)² = 0.43 (about half) as much light per square meter of planet surface as Earth does. how much it reflects back to space, and how effectively the planet’s atmosphere can retain heat through the greenhouse effect (see Earth as a Planet). All of these can vary substantially, and all matter a lot. For example, Venus receives about twice as much starlight per square meter as Earth but, because of its dense cloud cover, also reflects about twice as much of that light back to space as Earth does. Mars receives only about half as much starlight as Earth, but also reflects only about half as much. Thus, despite their differing orbital distances, the three planets actually absorb comparable amounts of sunlight energy. Why, then, are they so dramatically different?

表面温度が液体の水の維持に適するかどうかは、惑星の「放射収支」、すなわち恒星光のエネルギーをどれだけ吸収して保持するかに左右される。また、風や海洋循環などが、そのエネルギーを惑星全体へ運ぶか、どのように運ぶかにも依存する。惑星が受け取る恒星のエネルギー量に関わるのは、恒星がどれだけの、どのような光を放つか、惑星がその恒星からどれだけ離れているか、光をどれだけ宇宙空間へ反射するか、そして大気が温室効果によってどれだけ効率よく熱を保てるかである（「惑星としての地球」参照）。補足：惑星表面の単位面積、たとえば1平方m当たりに届く恒星光の量は、恒星からの距離の二乗に反比例して減る。したがって軌道距離が2倍になると照度は4分の1（2²分の1）になり、10倍になると100分の1（10²分の1）になる。金星と火星の太陽からの軌道距離は、それぞれ地球の約72％と152％である。したがって惑星表面の1平方m当たりに受け取る光は、地球に比べて金星が約1/(0.72)² = 1.92倍、つまり約2倍、火星が約1/(1.52)² = 0.43倍、つまり約半分である。これらの要因はどれも大きく変わりうるし、どれも非常に重要である。たとえば金星は、地球に比べて1平方m当たり約2倍の恒星光を受け取るが、厚い雲に覆われているため、その光を宇宙へ反射する割合も地球の約2倍である。火星が受け取る恒星光は地球の約半分だが、反射する割合も約半分である。このため、軌道距離は違っていても、三惑星は実際には同程度の量の太陽光エネルギーを吸収する。それなのに、なぜこれほど大きな違いがあるのだろうか。

As we learned in several chapters about the planets, some of the gases that make up planetary atmospheres are very effective at trapping infrared light—the very range of wavelengths at which planets radiate thermal energy back out to space—and this can raise the planet’s surface temperature quite a bit more than would otherwise be the case. This is the same “greenhouse effect” that is of such concern for global warming on our planet. Earth’s natural greenhouse effect, which comes mostly from water vapor and carbon dioxide in the atmosphere, raises our average surface temperature by about 33 °C over the value it would have if there were no greenhouse gases in the atmosphere. Mars has a very thin atmosphere and thus very little greenhouse warming (about 2 °C worth), while Venus has a massive carbon dioxide atmosphere that creates very strong greenhouse warming (about 510 °C worth). These worlds are much colder and much hotter, respectively, than Earth would be if moved into their orbits. Thus, we must consider the nature of any atmosphere as well as the distance from the star in evaluating the range of habitability.

惑星についてのいくつかの章で学んだように、惑星大気を構成する気体の中には、赤外線を閉じ込める効果が非常に高いものがある。赤外線はまさに、惑星が熱エネルギーを宇宙空間へ放射する波長域である。そのため、大気にそのような気体があると、ない場合に比べて表面温度がかなり高くなりうる。これが、私たちの惑星の地球温暖化で大きな懸念となっているものと同じ「温室効果」である。地球の自然な温室効果は、主に大気中の水蒸気と二酸化炭素による。これによって、平均表面温度は、大気に温室効果ガスがなかった場合の値より約33℃高くなる。火星の大気は非常に薄いため、温室効果による昇温は約2℃とごく小さい。これに対して金星には大量の二酸化炭素からなる大気があり、約510℃という非常に強い昇温を生む。火星は、地球を火星の軌道へ移した場合よりもずっと冷たく、金星は、地球を金星の軌道へ移した場合よりもずっと熱い。したがって、生存可能性の範囲を評価するには、恒星からの距離だけでなく、大気があるならその性質も考えなければならない。

Of course, as we have learned, stars also vary widely in the intensity and spectrum (the wavelengths of light) they emit. Some are much brighter and hotter (bluer), while others are significantly dimmer and cooler (redder), and the distance of the habitable zone varies accordingly. For example, the habitable zone around M-dwarf stars is 3 to 30 times closer in than for G-type (Sun-like) stars. There is a lot of interest in whether such systems could be habitable because—although they have some potential downsides for supporting life—M-dwarf stars are by far the most numerous and long-lived in our Galaxy.

すでに学んだように、恒星が放つ光も、強さやスペクトル、すなわち波長の分布が大きく異なる。ずっと明るく高温で青い星もあれば、かなり暗く低温で赤い星もあり、それに応じてハビタブルゾーンの距離も変わる。たとえばM型矮星の周りでは、G型の太陽に似た星に比べて、ハビタブルゾーンは恒星に3〜30倍近い、つまり距離が3分の1〜30分の1にある。そのような系で生命が生存できるかどうかに、大きな関心が集まっている。生命を支えるうえで不利になりうる点はあるものの、M型矮星は天の川銀河で群を抜いて数が多く、寿命も長いからである。

The luminosity of stars like the Sun also increases over their main-sequence lifetime, and this means that the habitable zone migrates outward as a star system ages. Calculations indicate that the power output of the Sun, for example, has increased by at least 30% over the past 4 billion years. Thus, Venus was once within the habitable zone, while Earth received a level of solar energy insufficient to keep the modern Earth (with its present atmosphere) from freezing over. In spite of this, there is plenty of geological evidence that liquid water was present on Earth’s surface billions of years ago. The phenomenon of increasing stellar output and an outwardly migrating habitable zone has led to another concept: the continuously habitable zone is defined by the range of orbits that would remain within the habitable zone during the entire lifetime of the star system. As you might imagine, the continuously habitable zone is quite a bit narrower than the habitable zone is at any one time in a star’s history. The nearest star to the Sun, Proxima Centauri, is an M star that has a planet with a mass of at least 1.3 Earth masses, taking about 11 days to orbit. At the distance for such a quick orbit (0.05 AU), the planet may be in the habitable zone of its star, although whether conditions on such a planet near such a star are hospitable for life is a matter of great scientific debate.

太陽のような恒星は、主系列にいる間にも光度が増していく。つまり恒星系が年を取るにつれ、ハビタブルゾーンは外側へ移る。計算によれば、たとえば太陽の放射出力は、過去40億年間に少なくとも30％増えた。このため、金星はかつてハビタブルゾーンの中にあった。一方、当時の地球が受けていた太陽エネルギーは、現在の大気を持つ現在の地球を全面凍結から守るには足りなかった。それにもかかわらず、数十億年前の地球表面に液体の水があったことを示す地質学的証拠は豊富にある。恒星の出力が増し、ハビタブルゾーンが外へ移っていくという現象から、別の概念が生まれた。恒星系の全寿命を通じてハビタブルゾーン内にとどまり続ける軌道の範囲を、継続的ハビタブルゾーンと定義するのである。想像できるように、これは恒星の歴史のある一時点だけで見たハビタブルゾーンより、かなり狭い。太陽に最も近い恒星プロキシマ・ケンタウリはM型星で、少なくとも地球質量の1.3倍の惑星を持つ。この惑星は約11日で一周する。これほど短い公転に対応する0.05天文単位の距離では、惑星はその星のハビタブルゾーンに入っているかもしれない。ただし、そのような恒星の近くにある惑星の条件が生命に適するかどうかは、科学上の大きな論争点である。

Even when planets orbit within the habitable zone of their star, it is no guarantee that they are habitable. For example, Venus today has virtually no water, so even if it were suddenly moved to a “just right” orbit within the habitable zone, a critical requirement for life would still be lacking.

惑星がその恒星のハビタブルゾーン内を回っていても、生存可能だという保証にはならない。たとえば現在の金星には、ほとんど水がない。そのため、突然ハビタブルゾーン内の「ちょうどよい」軌道へ移したとしても、生命に不可欠な条件は依然として欠けたままである。

Scientists are working to understand all the factors that define the habitable zone and the habitability of planets orbiting within that zone because this will be our primary guide in targeting exoplanets on which to seek evidence of life. As technology for detecting exoplanets has advanced, so too has our potential to find Earth-size worlds within the habitable zones of their parent stars. Of the confirmed or candidate exoplanets known at the time of writing, nearly 300 are considered to be orbiting within the habitable zone and more than 10% of those are roughly Earth-size.

科学者は、ハビタブルゾーンと、その中を回る惑星の生存可能性を決めるすべての要因を理解しようとしている。それが、生命の証拠を探す系外惑星を選ぶ際の、主要な手掛かりとなるからである。系外惑星を検出する技術が進むにつれ、主星のハビタブルゾーン内で地球サイズの天体を見つける能力も高まってきた。執筆時点で知られている確認済み惑星と候補のうち、約300個がハビタブルゾーン内を回ると考えられ、その10％以上がほぼ地球サイズである。