地質学とプレートテクトニクスはドレイク方程式とフェルミのパラドックスに対する新たな答えを示唆する

T人類が宇宙で孤独であるかどうかという疑問は奇妙な仲間を生み出します。それは天文学者や誘拐陰謀論者、疑似考古学愛好家や物理学者を惹きつけます。そしてもちろん、クラトゥからドクター・フーまで地球外生命体を思い浮かべた多くのSF作家も惹きつけます。ダグラス・アダムスは、星間旅行者が宇宙船を必要とするほど生命に満ちた銀河を想像しました。 ヒッチハイカーのガイド。

宇宙に他の文明が存在する可能性についてさまざまな意見が述べられていることを考えると、生命が存在することが知られている唯一の惑星を研究する地球科学者が、宇宙の難問について意見を述べる人がほとんどいないのは驚くべきことだ。物理学者エンリコ・フェルミの有名な質問「みんなどこにいるの？」には、長い間、地質学的な視点が欠けていた。

地球上で私たちが当たり前だと思っている基本的な設備、つまり大陸、海洋、プレートテクトニクスは、宇宙的には稀なものです。

これは地球科学者のロバート・スターンとタラス・ゲリヤが最近発表した論文で述べていることだ。 科学レポート地球外文明に関するこれまでの推測は、銀河系内の惑星系の数や、知的生命体が電波を発見して使い始めるまでにどれくらいの時間がかかるかといった天文学的、技術的な考慮に基づいていた。そのため、水の有無以外の、潜在的なホスト惑星の特定の属性にはほとんど注意が向けられていなかった。

スターンはテキサス大学ダラス校の地質学者で、大陸地殻の進化を研究している。一方、ゲリヤはスイス連邦工科大学の地球物理学者で、地球の内部過程をモデル化している。彼らの結論は、地球外生命体マニアをがっかりさせるかもしれない。地球上で当たり前のように享受している大陸、海洋、プレートテクトニクスといった基本的な設備は、宇宙的に見て稀少であるため、技術的に高度な他の社会が存在する可能性は、これまで考えられていたよりも低い。

存在するかもしれない地球外文明の数をどうやって推定できるだろうか？1960年代初頭、電波天文学者のフランク・ドレイクは、高度な地球外社会がどれほど普及しているかを測るために多くの研究者が今でも使っている方程式を考案した。「方程式」という用語はある程度の精度を示唆しているが、ドレイクの定式化は、実際には、複雑な生命が存在する可能性があり、地球と何らかの形で通信する可能性のある惑星がいくつあるかについての大まかな推測にすぎない。ドレイクは恒星間通信の可能性について楽観的だった。彼は後にカール・セーガンと協力し、「ゴールデンレコード」の開発に取り組んだ。これは、地球と人間の文化に関する情報が入った金メッキのディスクで、1977年にボイジャー1号と2号の宇宙船で深宇宙の旅に打ち上げられた。

元の方程式では、文明の推定数は、7 つの要素、つまり確率を単純に掛け合わせた積である。科学者たちは、天の川銀河の最初の 3 つについてはかなりよく理解している。銀河系における恒星形成率、惑星を持つ恒星の割合 (既知の太陽系外惑星の急増を考えると、おそらくほとんどが惑星を持っている)、そしてそのような恒星の周囲にある居住可能な可能性のある惑星の平均数 (恒星の「居住可能領域」、つまり水が液体のままでいられる最適な領域にいくつあるかに基づく) である。

ドレイク方程式の他の4つの要素は、次々に推測的になってきます。それは、生命が誕生した可能性のある居住可能な惑星の割合（これは完全に制約のない変数で、知られているのは1つの例、つまり私たちの惑星だけなので）、知的生命体が発達した惑星の割合（人間の生命が適格かどうかというブラックユーモアをしばしば引き起こす基準）、 それ 深宇宙に信号を送信した文明の割合（これも既知の一例に過ぎず、発信のみ）と、それらの文明がそのような信号を送信し続けている期間（未定）。

プレートテクトニクスは惑星の居住可能性の基準として考慮されるべきである。

この公式から得られる最終結果のプラスまたはマイナスの値は膨大で、ドレイク方程式の「解」は、銀河系内の高度な文明が 1,000 から 100,000,000 の間であると判定されました (ダグラス アダムスのファンが予想した 42 ではありません)。この範囲の大きさはかなり不合理ですが、下限の 1,000 という推定値でさえ、今頃は誰かから連絡があるはずです。私たちが誰にも遭遇していないという事実は、「フェルミのパラドックス」として知られています。

スターンとゲリヤは、この問題に地質学的な視点を取り入れ、すでに扱いにくいドレイク方程式にさらに2つの要素を追加することでパラドックスを解決することを提案している。それは、明確な大陸と海洋を持つ居住可能な惑星の割合と、少なくとも5億年間機能しているプレートテクトニクスシステムを持つ惑星の割合である。これらの項の値は以下のとおりである。 とても 彼らが主張するところによると、明確な陸地と水域の発達、そして地殻循環の地殻構造の習性（私たちが当然だと思っている地球の特徴）は、岩石惑星の進化においてはありそうにない結果であるため、その差は小さいという。

これらの新たな要因により、私たちと通信できる可能性のある銀河系内の高度な文明の数は、ほぼゼロにまで減少します。

地球の歴史の壮大な流れを考えると、これはもっともらしいように思える。生命は少なくとも35億年前には出現し、多様化していたが、マクロな海洋生物が初めて出現した約5億6000万年前までは、主に単細胞のままだった。植物や動物が陸上に移動し始めるまでさらに1億年かかり、道具を作る人類が現れるまでにさらに4億5000万年かかった。そして、人類が信号を送信し始めたのはわずか50年ほどだ。

スターンとゲリヤは、「生命は海で進化しなければならないが、高度なコミュニケーション文明は陸上で進化しなければならない」と主張している。これは、海の景色よりも風景の方が変化に富んでいるため、より進化的な革新が促進され、より洗練された感覚器官を持つ生物が生まれるからである。この一般化は正しいかもしれないが、他の多くの宇宙生物学の仮説と同様に、惑星の例が 1 つしかないという事実によって制限されている。

技術的に高度な生命に至る道は他にもあるかもしれない。地球上の化石記録と現代の海洋の両方に見られる海洋生物の膨大な多様性は、長い時間をかけて海で進化の実験が数多く行われてきたことを思い出させる。さらに、最近の生命の起源に関する理論では、最初の生きた細胞は海洋環境ではなく、陸上の温泉で発生したと示唆されている。それでも、地球上に明確な大陸と海洋が存在することで生物の多様性が生まれ、高度な技術を開発した唯一の種は陸の生き物であるという、私たち自身の事実に直面している。

私たちの銀河系における高度な文明の数は…ほぼゼロにまで減少します。

地質学者の多くは、プレートテクトニクスを惑星の長期的な居住可能性の基準に含めるべきだというスターンとゲリヤの主張に同意するだろう。地球の地殻構造により、惑星の大気と水圏は、驚くべき自己永続的なサイクルで地球内部と連絡を保つことができる。沈み込んだ海洋地殻（地球内部に滑り込む海底）は水をマントルに戻し、浅い深さではこの水がマントル岩石の融点を下げ、珍しいマグマを発生させて大陸地殻（地上の我々が住む地殻）を形成する。大陸地殻は、生命にとって不可欠なリンなどの希少元素を豊富に含んでいる。

より深いところでは、沈み込んだ水がマントルの粘性を低下させる働きをし、マントルがより激しく撹拌、つまり対流することを可能にし、それが今度はプレート運動を駆動します。地球のマントルが対流によって熱を放出すると、液体の鉄の外核も対流するように促され、これが地球の保護磁場を生み出し、表面環境を有害な宇宙放射線から保護します。プレートテクトニクスがなければ、大陸はすぐに海面まで浸食されます。しかし、地殻衝突によって地球の地形は絶えず若返り、川に栄養豊富な堆積物を浅い海洋環境に運ぶためのエネルギーをより多く提供します。言い換えれば、プレートテクトニクスは地球上の生命を支えるすべての現象と絡み合っています。

地球のようなプレートテクトニクスシステムには、冷たくサクサクした外殻（可動部分に分かれている）と、固体状態で流動可能な暖かくねばねばした下層のマントルという、非常に特殊な熱の組み合わせが必要です。地球がこのバランスをいつ達成したかは正確にはわかっていません。金星と火星には沈み込みの証拠がないため、初期の地球が最初から本格的なプレートテクトニクスシステムを持っていた可能性は低いです。

スターンとゲリヤは、地球のプレートテクトニクスが比較的遅く、約5億5千万年前の原生代末期に始まったと主張することで地質学界ではよく知られている。彼らの見解では、海底の拡大や沈み込みの証拠などの診断的な「プレートテクトニクス指標」はその時期以前の地質学的記録には現れておらず、その頃まで地球は火星のような「単蓋」構造システムを持っていたと彼らは仮定している。彼らは新しい論文でこのあまり一般的ではない見解をさらに推し進め、当時の多細胞生物の出現は現代風のテクトニクスの始まりによって引き起こされたと主張している。現代風のテクトニクスはリンなどの重要な栄養素の海洋への供給を加速し、炭素を隔離して大気中の酸素レベルを上昇させる植物プランクトンの大発生をもたらしただろう。

しかし、地質学者の間では、地球が少なくとも25億年前までに現代のプレートテクトニクスの習性を獲得していたというのが主流の見解だ。これはスターンとゲリヤが主張するよりずっと前のことだ。この頃から、古代の山脈地帯（浸食された残骸として現存）は、ロッキー山脈やアルプス山脈のような最近の山脈と同じ内部「構造」を持つようになり、これらの山脈の一部には沈み込みの兆候を示す高圧変成岩が保存されている。

地球のプレートがいつ分裂して動き始めたかに関係なく、スターンとゲリヤの論文は、地球に似た惑星は宇宙で極めて稀であるという説得力のある主張を展開している。このメッセージは、人類が数世代のうちに別の惑星を「テラフォーミング」するかもしれないと想像する人々に、考え直させるはずだ。

深宇宙からの通信を受信する可能性が少しだけ低くなったことは、本当に重要なことなのだろうか。それが、私たちの足元にある美しく、豊かで、神秘的な惑星を新たな敬意をもって見下ろすきっかけになるのであれば、良いことなのかもしれない。

リード画像: Triff / Shutterstock

• マーシア・ビョルネルド

  ポストする 2024年7月17日

  マーシャ・ビョルネルドはローレンス大学の地質学教授であり、 タイムフルネス: 地質学者のように考えることで世界を救うことができる。 彼女はアメリカ地質学会のフェローであり、2000年から2001年にかけてフルブライト奨学生でした。

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