なぜ「正しい場所」にいるだけでは人生に十分ではないのか

惑星の居住可能性は、多くの要因の組み合わせによって決まります。これまでのところ、私たちの太陽系外の潜在的に居住可能な世界の探査は、もっぱら太陽系の「ゴルディロックスゾーン」におけるそれらの位置、その温度がその表面に液体の水が存在できるかどうかを決定すること、そしてさらに最近では、それらの大気がどのような成分で構成されているかに焦点を当ててきました。その理由の 1 つは、私たちが利用できる機器の技術的な限界によるものです。強力なジェームス ウェッブ宇宙望遠鏡でさえ、近くにある非常に大きな惑星の大気しか見ることができません。

しかし、今後数十年で、私たちは、居住可能な世界天文台のような、潜在的に居住可能な世界を探索するためにより具体的に調整された新しいツールを手に入れるでしょう。では、何を探すためにそれらを使用すればよいのでしょうか?新しい用紙がプレプリントで利用可能になりました arXiv メリーランド大学のベンジャミン・ファーシーらは、生命が宿る可能性を理解するには惑星がどのように形成されたかに注目すべきだと主張している。

はっきり言っておきますが、HWO は過去を見ることはできません。少なくとも、これらの世界からの光が私たちに届くまでにどれくらいの距離を移動する必要があるかによって許容される以上は、過去を見ることはできません。ただし、現在測定可能な値に基づいて、惑星がどのように形成されたかについての洞察を集めることができます。ファーシー博士とその共著者らは、惑星形成の初期段階で決定され、将来複雑な生命を宿す能力に大きな影響を与える惑星の 4 つの異なる側面について説明しています。

最初の主要なテーマは、地球型惑星の 93% を構成する主に 4 つの主要元素の全体組成です。これらは、マグネシウム、鉄、ケイ素、酸素です。最終的に、これらの元素の比率によって、惑星にプレート テクトニクスがあるかどうかが決まります。プレート テクトニクスは、数百万年にわたって比較的安定した環境を維持するために必要です。便利なことに、惑星の主星の比率を調べることで、惑星内のこれらの元素の比率を決定することもできます。これらは両方とも利用可能な同じ物質から形成されているため、それらは同等であるはずです。

2番目の要因は、「揮発性物質」の豊富さです。惑星の形成では、揮発性物質は、元素の少なくとも 50% がガスに変わる、比較的低い凝縮温度を持つ元素とみなされます。

ガスであるため、太陽風によってはるかに簡単に吹き飛ばされるため、太陽系の非常に熱い領域で形成された水星のような惑星には多くの揮発性物質が欠けていますが、より遠くで形成された火星は揮発性物質と面一になっています。炭素、水素、窒素、酸素、リン、硫黄 (CHNOPS) などの揮発性物質は生命にとって重要な成分であるため、惑星上での揮発性物質の入手可能性は、惑星上での発展の重要な決定要因となります。

しかし、惑星の形成には、惑星の居住可能性に大きな影響を与える別の主要な要因があり、それは特に特定の揮発性物質である酸素によって引き起こされます。初期段階の惑星への酸素の利用可能性は、酸素フガシティと呼ばれる値を制御します。これは、3 番目の要素である惑星の核のサイズにおいて重要な役割を果たします。

純鉄と酸化鉄（さび）のバランスは、初期の惑星の核の形成において重要です。純鉄は一般に核に向かって落下し、より大きな核を形成しますが、酸化鉄は最終的にマントルに到達し、核のサイズが減少します。

コアは惑星の最も重要な保護機能の 1 つである磁場を制御するため、居住可能性の主要な要素の 1 つです。大きな核は強力な磁場を生成し、惑星表面の元素や潜在的な生命体を太陽放射から保護します。一方、小さな核は弱い磁場を生成し、太陽風が多くの有用な元素を奪い、放射線が惑星の景観を破壊する可能性があります。

最後の 2 つの要因は、新しいタイプのゴルディロックス ゾーンを生み出します。つまり、惑星は、大きな金属核を発達させ、それによって地球ダイナモを発達させるのに十分な量の揮発性物質 (特に酸素) を必要としますが、惑星が安定した後に生命を発達させることができる十分な量の揮発性物質も必要とします。

揮発性物質が少なすぎると、惑星は水星のようなものになるでしょう。その核はその大きさの 85% を占め、強い磁場を生み出しますが、不毛の荒地になります。揮発性物質が多すぎると、揮発性物質は豊富にあるものの、核が非常に小さいため磁場が何十億年も表面を保護できず、不毛の荒野になる火星のようなことになるだろう。

このシナリオでは、地球には適切な数の揮発性物質があり、強力な保護磁場を持つことができると同時に、数十億年にわたって生命を発達させ維持するのに十分な揮発性物質が残されています。

世界のライフサイクルの初期段階での居住可能性を決定する最後の要素は、その「熱機関」です。これは 2 つの方法のうちの 1 つで引き起こされます。惑星の中心部にある放射性元素によって、または私たちの太陽系の一部の衛星の場合のように、惑星を十分に曲げて内部を暖める潮汐加熱によって引き起こされます。

マントルの放射性加熱は主に 3 つの元素 (カリウム、トリウム、ウラン) によって引き起こされますが、幸運なことに、3 つのうち 2 つの存在量は主星の分光器で簡単に見つけることができます。 3 番目のウランは追跡するのが簡単ではありませんが、同等のユーロピウムが存在し、天文学者はウランの存在量の代用としてそれを使用しています。

HWO は、研究対象である系外惑星の初期の発展サイクルを理解するのに役立つ 3 つの要素を理解できるはずです。星のスペクトルの特徴を見つけることができ、揮発性物質や放射性元素の入手可能性を理解するのに役立ちます。分光偏光計と呼ばれる技術を使用して、磁場の存在を検出できます。この技術は、光波がその磁場によってどのようにねじれるかを観察します。

そして、惑星の表面に活火山が存在し、したがってプレートテクトニクスが存在することを示す大気中の「火山の息吹」（主に二酸化硫黄と硫化水素）を監視する予定だ。これらの要素を組み合わせることで、単に惑星がその星の「ゴルディロックスゾーン」との関係でどこにあるかを探すよりも、その潜在的な居住可能性を調べるためのより包括的な方法になります。

残念ながら、これは、これらの惑星の歴史を本当の意味で垣間見るには、2040 年代まで待たなければならないことを意味します。 HWO はその頃に打ち上げられる予定ですが、過去の大天文台が何らかの兆候を示しているのであれば、そのスケジュールは楽観的かもしれません。何を探すべきかという点でさらに多くの作業が行われるにつれて、それに取り組んでいるミッション設計者とエンジニアは、将来の最高の惑星ハンターに何を探すべきかについて多くのことを考慮する必要があるでしょう。