居住可能な冷たい巨大惑星の数を過小評価している可能性がある

宇宙のどこかに、地球と太陽の距離の2倍ほども離れた恒星から離れた岩石惑星があるかもしれない。恒星の暖かさから遠く離れているため、これらの惑星は非常に寒く、表面の水はすべて凍っているはずだ。

しかし、惑星科学者たちは、水素とヘリウムの厚いガスの層に覆われた岩石質の太陽系外惑星のクラスが存在する可能性があると述べている。それらの層が惑星の核を宇宙の厳しい寒さから遮断するのであれば、表面は液体の水が存在するのにちょうどよい温度である可能性がある。そして、もしそうだとすれば、これらの惑星は居住可能である可能性がある。

約 10 年前、科学者たちは、そのような世界では生命を維持できるかもしれないと提唱しました。科学者たちは、これらの惑星を「冷たいスーパーアース」と呼ぶことがあります。なぜなら、これらの惑星はおそらく地球の 10 倍もの質量があるからです。しかし、研究者たちは、生命が進化するのに十分な期間、これらの太陽系外惑星に水が存在するかどうかは解明していませんでした。

月曜日にネイチャー・アストロノミー誌に掲載された論文で説明されている新たな計算によると、これらの惑星の表面条件は、生命が存在するのに十分な期間、つまり50億年から80億年の間、温暖であった可能性があるという。比較すると、地球の年齢はわずか45億年ほどで、生命が誕生したのは約37億年前である。

「生命が進化するにはある程度の時間が必要です。ですから、長い期間が経過していることは重要です」と、今回の研究には関わっていないモントリオール大学太陽系外惑星研究所の天体物理学教授ビョルン・ベネケ氏は言う。もしスーパーアースが液体の水を持っていた期間が、その存在期間の比較的短い期間、たとえば100万年程度だったとしたら、これらの惑星が水素大気の下で居住可能であるという仮説にとって「失望」となるだろうと同氏は言う。

新たな計算は、これらの冷たいスーパーアースが居住可能である可能性を示唆している。これらの存在はまだ理論上のものであり、まだ発見されていないため、宇宙で我々が唯一の存在であるかどうかを見極めようと、天体物理学者がこの太陽系外惑星のクラスを探す動機が増すことになる。

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「本当にオープンマインドでいること、そして生命が地球と全く同じ環境下になければならないと期待しないことが大事です」と、新論文の主執筆者であり、スイスのチューリッヒ大学で太陽系外惑星を研究している博士課程の学生、マリット・モル・ルース氏は言う。「このことは、こうした異国の生息地を念頭に置くべきという新たな論拠を与えてくれます。」

科学者たちは、居住可能な惑星として知られている唯一のモデルである地球を基に、その表面が液体の水が存在するには暑すぎず寒すぎない領域で恒星を周回する惑星を探すことが多い。その領域は、しばしば居住可能領域、または「ゴルディロックス領域」と呼ばれる。対照的に、いわゆる低温スーパーアースは、その恒星の居住可能領域の外にある。しかし、直感に反して、それがまた、それらの異星の世界を居住可能にする要因の一部である可能性もある。

地球上では、二酸化炭素やメタンなどの大気中の温室効果ガスが、水にとって「ちょうど良い」温度を維持するのに役立っています。水素も、周囲に十分な量があれば、温室効果ガスとして作用します。

問題は、水素ガスが蓄積するのに十分な時間、その周囲にとどめておくことだ。水素は特に軽い元素なので、惑星が十分に大きく、ガスを保持できるほどの重力がない限り、水素は宇宙に消えてしまう。また、惑星が恒星に近い場合、放射線によってこれらの粒子はより速く逃げる可能性がある。これらの冷たいスーパーアースと恒星の間の距離は遠いため、水素ガスが引き裂かれるのを防ぐことができるかもしれない。

冷たいスーパーアースが長期間にわたって適切な厚さの水素・ヘリウム大気を維持するために何が必要かを明らかにするために、モル・ルースはさまざまな大きさの岩石系外惑星のコンピュータモデルを開発した。彼女はそれらを、シミュレートされたホスト星からさまざまな距離に配置した。そして、時間の経過とともにどのように進化するかのシミュレーションを実行した。

モル・ルースは、惑星の脱出速度、その主星が時間の経過とともにどのように明るくなったり暗くなったりするか、そしてその内部の放射性物質から発せられる熱など、惑星の表面温度に影響を与える要因を考慮した。

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彼女は、長期的に液体の水が存在するのに最も適した条件は、水素とヘリウムを主成分とする大気が地球の大気の100～1,000倍の厚さで、惑星の質量が地球の1～10倍で、惑星が恒星から地球と太陽の距離の少なくとも2倍の距離にある場合であることを突き止めた。

この距離は、これらの冷たいスーパーアースの研究を興味深いものにしているが、天文学者にとって発見を極めて困難にしている。科学者が太陽系外惑星を発見するために通常使用する技術は、その惑星が主星の前を通過することに依存する。このような通過により主星の光はわずかに暗くなり、天体物理学者はこれを利用して周回惑星の存在を計算する。しかし、ベネケ氏によると、スーパーアースサイズの惑星がこれほど遠くを周回している場合、現在の技術で検出できる適切なタイミングで一列に並ぶ可能性ははるかに低いという。

そのため、そのようなスーパーアースが存在するかどうかはまだ不明だと彼は言う。「しかし…専門家が示したのは、このような惑星の多様性、つまり存在し得る惑星の全範囲が実際には極めて広範囲であるということです。」そして、もしそのような惑星が存在するとすれば、そのような冷たく湿った世界がどのようにして生まれたのかという疑問は多く残る。モル・ルース氏と彼女の同僚たちはすでに、冷たいスーパーアースの形成を探るための新しいモデルに取り組んでいる。

しかし、これらの謎を解く最善の解決策は「これらの太陽系外惑星を単に見つけることだ」とベンネケ氏は言う。