太陽系の外で居住可能な惑星を見つけたいですか?そうなると「三体人」に領土を要求しなければならない

制作：中国科学普及協会

著者: 王山琴

プロデューサー: 中国科学博覧会

2023年1月9日、ジェイコブ・ルスティグ・イェーガー氏とグアンウェイ・フー氏を共同筆頭著者とする論文で、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（以下、「ウェッブ」と略）が太陽系外の新しい惑星（太陽系外惑星）を確認し、その透過スペクトルを取得したと発表されました。 [注1]

この惑星の質量と半径は地球に近いため、一部のメディアはウェッブが居住可能な惑星（つまり、生命の生存と進化に適した惑星）を発見したとさえ報じた。

それで、ウェッブはどのようにして太陽系外惑星の存在を確認したのでしょうか?この惑星は本当に居住可能なのでしょうか?もしいつか私たちが「次の地球」へ旅するなら、目的地はどこになるでしょうか?

科学者たちの研究に従って、これらの質問に対する答えを段階的に見つけていきましょう。

1. TESSが太陽系外惑星の存在を推測するトランジット信号を発見

まず、上記でウェッブが太陽系外惑星を「発見」したのではなく「確認」したと述べたことに注意してください。実際に最初に太陽系外惑星を発見したのは、トランジット太陽系外惑星サーベイ衛星(TESS) だったからです。

クリーンルーム内のTESS

(画像提供: NASA)

太陽系外惑星の命名規則によれば、恒星の周りを回る最初に確認された惑星には、恒星の番号に文字 b を加えた番号が付けられます。ウェッブによって確認された太陽系外惑星の親星は LHS 475 であるため、太陽系外惑星には LHS 475b という番号が付けられています。

LHS 475 は、南極星の方向に位置する赤色矮星で、地球から約 41 光年 (1 光年 = 9.46 兆キロメートル) 離れています。

赤色矮星とその周りを回る惑星の想像図。

（画像提供：国立科学財団）

赤色矮星は主系列星に属します。主系列星とは何ですか?簡単に言えば、主系列星とは水素の核融合反応のみが起こる星です。私たちの太陽も主系列星であり、黄色矮星です。赤色矮星と黄色矮星の「赤」と「黄色」は、それぞれおおよその色を反映しています。赤色矮星は黄色矮星よりも温度が低いため、赤く見えます。おそらく多くの読者は、赤色矮星や黄色矮星よりも白色矮星のほうがよく知られているでしょう。ただし、白色矮星は主系列星ではないことに注意する必要があります。

理論上、赤色矮星は宇宙で最も一般的なタイプの星です。これらの惑星の質量、温度、半径、熱輝度はすべて太陽よりも低いです。これまでの研究で、LHS 475 の質量は太陽の約 0.26 倍、半径は太陽の約 0.28 倍、表面温度は約 3300 K (太陽の表面温度は 5772 K)、熱輝度は太陽の 0.009 倍であることがわかっています。

LHS 475b が存在すると最初に推測されたのは、TESS が LHS 475の明るさの中に45**** 周期の通過信号を観測したためです。

交通信号とは何ですか?これは、太陽系外惑星を探索するための最も重要な方法の 1 つである「トランジット法」から始まります。

「トランジット」とは、他のはるかに小さな天体から放射される光が遮られることによって星の明るさが暗くなることを指します。太陽系において、金星と水星が太陽を遮ることによって起こる「金星の太陽面通過」と「水星の太陽面通過」は、どちらも太陽面通過現象です。

恒星の明るさが周期的に暗くなることから、恒星が太陽の周りを周回する現象を起こしたと推測でき、その結果、恒星に惑星が存在すると推測できます。

図: 惑星が恒星から放射される光の一部を遮り、トランジット現象を引き起こす模式図。トランジット現象により、星の明るさの変化曲線（光度曲線）に周期的な低下が生じます。惑星は恒星よりもはるかに小さいため、各掩蔽によって引き起こされる明るさの変化は非常にわずかです。

(画像提供: Hans Deeg)

TESSには直径10cmの小型望遠鏡が4基搭載されており、4つのCCDが搭載されています。総視野は最大2,300平方度で、これは空にある満月約12,100個が占める面積に相当し、全天面積の5％以上を占めます。

そのため、一度に膨大な数の星を観測することができます。

さらに、TESSは各領域を少なくとも27日間観測し続けます。数日ごとに通過が発生する惑星系の場合、1 回の観測サイクルで複数の完全な通過を観測することが可能です。

TESS の目が LHS 475 が位置する領域に固定されると、LHS 475 が 1 回に約 40 分間通過し、そのたびに 0.978 パーツ パー 1000 ずつ暗くなるのが観測されます。

このような規則的なデータは、惑星によって定期的に隠される可能性があることを意味します。

したがって、LHS 475 を周回する可能性のある惑星には、暫定的に TOI 910.01 という名称が与えられました。その後の研究により、TOI 910.01 が実際に存在する場合、2.029 日ごとに親星の周りを 1 周することが判明しました。

2. ウェッブが太陽系外惑星の正体を確認

ルスティグ・イェーガー氏とフー氏が率いるチーム（以下、「LFチーム」）は、ウェッブの近赤外線分光器（NIRSpec）を使用して、2022年8月31日と2022年9月4日の2回、LHS 475の明るさの変化を観測しました。各観測は4.4時間続きました。

クリーンルーム内の近赤外線分光計。

(画像提供: Astrium GmbH - Astrium GmbH)

LF チームはスペクトル データを取得した後、さまざまなバンドの明るさを合計輝度に合成しました。

LF チームの 2 回の観測により、LHS 475 の明るさが周期的に減少し、それぞれの減光率が 1.06 パーツ パー サウザンであることが確認されました。これは、TESS データから得られた 0.978 パーツ パー サウザンに非常に近く、間接的に TESS の感度を裏付けています。

LF チームによるデータ解析により、誤検知の可能性は完全に排除され、 LHS 475 b (旧称 TOI 910.01)という恒星を周期的に掩蔽する惑星が存在することが確認されました。

Webb が取得した星 LHS 475 の明るさの進化図。横軸は時間（時間単位）です。縦軸は相対的な明るさです。区別を容易にするために、2 つの観測から得られた 2 セットのデータを垂直軸に沿って一定の距離移動しました。

(画像出典: Lustig-Yaeger & Fu, et al. 2023, arXiv:2301.04191v1)

これはウェッブ氏によって確認された最初の太陽系外惑星です。ウェッブ氏はこれまで、太陽系外惑星WASP-96bの光度曲線とスペクトル、およびHIP 65426bの画像を撮影していたが、それらはすべてウェッブ氏の観測前に他の望遠鏡によって確認されていた。

もちろん、さらなる研究と確認が行われる前に、TESS の 45 回のトランジット観測は、この太陽系外惑星が存在することをほとんどの人に納得させるのに十分です。なぜなら、太陽黒点やフレアなどの現象は恒星の全体的な明るさにわずかな変化を引き起こすことはあっても、それほど規則的ではないからです。

LHS 475 が LHS 475b を照らしている様子を描いたアーティストの想像図。

(画像提供: NASA、ESA、CSA、Leah Hustak (STScI))

LF チームはデータに基づいて、LHS 475b の軌道の長半径が恒星の半径の約 15.87 倍であることを発見しました。星の半径と合わせると、この値はおよそ 0.02 天文単位に等しくなります (1 天文単位 = 地球と太陽の平均距離 = 1 億 4,960 万キロメートル)。

このような近い距離では、「潮汐ロック」と呼ばれる現象が発生し、惑星の片側は常に恒星に面するため常に昼間になり、もう片側は常に恒星から離れた方向を向くため常に夜になります。

3. LHS 475b は居住可能な惑星となる可能性を秘めているでしょうか?気温から大気まで、3回連続で否定

LFチームは、以前に得られたスペクトルデータを使用して、LHS 475bの直径は地球の直径の約99％であると計算し、その密度構造が地球のものと似ていると仮定して、その質量は地球の質量の約91％であると推測しました。

LHS 475b のアーティストによる想像図。

(画像クレジット: NASA、ESA、CSA、L. Hustak (STScI))

一見すると、この惑星は地球とほぼ同じ大きさに見え、その類似性から、LHS 475b が居住可能な惑星であると誤って信じる人もいるかもしれない。

それで、本当に住みやすいのでしょうか?

実際、惑星が居住可能であるためには多くの要件があり、最低限の要件は、少なくとも一部の領域が寒すぎず暑すぎず、液体の水が存在できることです。

しかし、覚えていますか？前述のように、LHS 475b は親星からわずか 0.02 天文単位しか離れていないため、全体的な平均温度は比較的高くなっています。 LF チームの計算によると、全体の平均温度は 586K (313 ℃) に達することが示されています。大気が全くないか、薄い大気しかない場合、恒星に面した側の温度は 748K (475 ℃) に達します。明らかに、その温度は高すぎて、生命が存在するには適していません。

高温に加え、この惑星の大気は生命の生存と進化に適していない可能性があります。

LF チームは、ウェッブの近赤外線分光計による観測に基づいて、LHS 475 の透過スペクトルを取得しましたが、取得された透過スペクトルの精度は低く、元素や分子の特性を示すことができませんでした。

しかし、スペクトルデータを当てはめると、特に地球の大気モデルに類似したいくつかの大気モデルが依然として除外されました。彼らのモデルによれば、たとえその惑星に大気があったとしても、それは火星や雲の多い金星、霧の多いタイタンのようなものに過ぎないだろうと示唆されている。このような雰囲気は明らかに居住不可能です。

Webb が取得した恒星 LHS 475b の透過スペクトル データ (黒い点、黒い線は誤差範囲を示す) と、さまざまな大気モデルに対するスペクトル データの最適な適合: オレンジ色の線は金属存在量を 1000 倍にした太陽大気モデル、紫色の線は水蒸気を含む大気モデル、黒い線は二酸化炭素を含む大気モデル、薄いピンクの線はメタンを含む大気モデル、シアン色の線は地球の大気モデル、灰色の点線は大気の有無にかかわらずモデルを表します。

(画像出典: Lustig-Yaeger & Fu, et al. 2023, arXiv:2301.04191v1)

したがって、LHS 475b は居住可能な惑星であると主張する人がいても、それは三重に否定することしかできません。

実際、ウェッブによるこの観測は、地球と大きさが似ている「地球型惑星」（岩石惑星の一種）の存在をさらに確認し、得られた透過スペクトルを使用してその大気の種類を制限しただけだった。

LF チームの論文には、居住可能な惑星を発見したとも一切書かれていない (実際は居住可能ではないからだ)。彼らは、ウェッブのデータが LHS 475b の大気組成に与える制約と、ウェッブの観測の鮮明さ (ウェッブの観測は 50 ppm 未満の明るさの変化に十分敏感である) を強調している。

天文学者が岩石惑星の透過スペクトルを取得したのは今回が初めてではない。ハッブル宇宙望遠鏡とスピッツァー宇宙望遠鏡は以前にも岩石惑星の透過スペクトルを取得し、これらのスペクトルを使用していくつかの大気モデルを除外したことがある。

4. 「次の地球」を選ばなければならないとしたら、これまでに発見された惑星の中で最も可能性の高いものはどれですか?

いろいろ言ってみたものの、どうやらニュースはすべてがっかりするものばかりのようです。しかし、悲観的になる必要はありません。LHS 475b は居住可能な惑星ではありませんが、天文学者はこれまでに居住可能な可能性のある惑星をいくつか確認しています。たとえば、TRAPPIST-1 の 7 つの惑星のうち 4 つ (TRAPPIST-1d、e、f、g) は、居住可能領域内にある可能性があります。 TRAPPIST-1d と TRAPPIST-1e の全体的な平均温度はそ​​れぞれ約 286.2K (摂氏 13.1 度) と 249.7K (摂氏 -23.5 度) で、質量はそれぞれ地球の約 0.4 倍と 0.7 倍です。

居住可能と確認されているいくつかの惑星の芸術的描写のコレクション。各惑星の下の括弧内の数字は、光年（ly）単位での距離を示します。比較しやすいように、地球、火星、木星、海王星の大きさも画像の右側に比例して配置されています。

(写真提供: PHL @ UPR Arecibo)

これらの居住可能な惑星の中で、地球に最も近いのはプロキシマ・ケンタウリを周回するプロキシマbです。

プロキシマ・ケンタウリも比較的明るさが低い赤色矮星で、地球からの距離はわずか4.2光年です。プロキシマ b はプロキシマ・ケンタウリから 0.05 天文単位離れており、平均気温は約 234K (摂氏 -39 度) です。

プロキシマ b の想像図 (右) と地球と比較した大きさ (左)。 (画像クレジット: PHL @ UPR Arecibo、NASA EPIC チーム)

SFファンにとって、プロキシマ・ケンタウリはよく知られた星です。小説『三体』に登場する「三体の人々」は、プロキシマ・ケンタウリを周回する惑星に住んでいると想定されている。天文学者は2016年までこの惑星（プロキシマb）の存在を確認していませんでしたが、多くの小説では以前からプロキシマ・ケンタウリの周りに惑星が存在すると想定されていました。 2019年、天文学者はプロキシマ・ケンタウリの周りにさらに2つの惑星、プロキシマcとプロキシマdを確認した。しかし、2022年にプロキシマcの存在が疑問視されました。

プロキシマ・ケンタウリとその近くの連星アルファ・ケンタウリは三重星系を形成します。小説『三体問題』では、プロキシマ・ケンタウリの惑星は三重星系の中で不安定であり、「安定の時代」と「混沌の時代」が交互に訪れると想定されている。

そのようなシナリオが本当に起こり得るのでしょうか?実際、アルファ・ケンタウリとプロキシマ・ケンタウリの間の距離は、プロキシマ・ケンタウリ系全体に干渉しないほど遠く、『三体問題』で想像された「混沌の時代」はプロキシマbには現れないだろう。

現状から判断すると、将来私たちの子孫が宇宙船で太陽系外の居住可能な惑星に移住したいと考えた場合には、プロキシマbが第一候補となるはずです。言い換えれば、太陽系外で居住可能な惑星を見つけたいのであれば、架空の「三体人」に領土を求めなければならない。

プロキシマ b の地形の想像図。また、上に見えるプロキシマ・ケンタウリ（円盤状の星）と、それより遠い連星アルファ・ケンタウリ（プロキシマ・ケンタウリのすぐ上と右側にある 2 つの点）も示されています。

(画像クレジット: ESO/M. Kornmesser)

小説では、「トリソララン」の技術レベルは地球上の人類を圧倒できるほどである。しかし、現実には、そこには高度な生命はまだ進化していない可能性があり、プロキシマ b に生息する生命はクマムシほど進化していない可能性があります。もし地球よりもはるかに優れた文明を持つ異星生命体が本当に存在するのであれば、彼らはコロナグラフを使って太陽光を遮り、地球の画像を簡単に撮影することができるので、行動を起こす前に葉文潔が地球の座標を送ってくれるのを待つ必要はない。

そのため、将来、太陽系外の居住可能な惑星に行きたくなった場合、プロキシマ b に安全に行き、新しい土地を開拓して家を再建できると著者は考えています。

もちろん、これらは遠い未来についての単なる空想です。プロキシマ・ケンタウリは比較的近いとはいえ、現在の技術レベルでは、人間が打ち上げた宇宙船がそこに到達するには何万年もかかるだろう。この期間中、人類は宇宙船上で何千世代も繁殖しなければならないだろう。近い将来、人類がそのような飛行を達成する方法はない。したがって、たとえプロキシマ b が実際に居住可能であるとしても、短期間でそこに到達することは難しいでしょう。だからこそ、私たちはこの貴重で美しい青い惑星を大切にし、守らなければなりません。この惑星は今日、私たちが居住できる唯一の家なのです。 [注2]

注記

[注 1] 惑星に大気がある場合、惑星の大気を通過する恒星の光は、遮るもののない恒星の光とは異なるはずです。両者の差を比較することで、透過スペクトルを得ることができます。透過スペクトルのさらなる研究は、惑星の大気中に含まれる元素や分子の種類を特定するのに役立つ可能性があります。

[注2] プロキシマbおよび類似の惑星は潜在的に居住可能な惑星であるが、必ずしも居住可能な惑星であるわけではない。地球は現時点で唯一居住可能な惑星であることが確認されている。