近年、天文学者によって発見された数千の太陽系外惑星にもかかわらず、それらのいずれかが居住可能かどうかを決定することは大きな課題です。これらの惑星を直接研究することはできないため、科学者は間接的な兆候を探すことを余儀なくされています。これらはバイオシグネチャーと呼ばれ、惑星の大気中に現れる有機生命に関連する化学副産物で構成されています。
NASAの科学者のチームによる新しい研究は、私たちの太陽系を超えた生命の潜在的な兆候を探す新しい方法を提案しています。彼らが推奨する鍵は、クールで若い矮小星からの頻繁な恒星の嵐を利用することです。これらの嵐は、恒星物質と放射線の巨大な雲を宇宙に投げ込み、太陽系外の大気と相互作用し、検出可能なバイオシグネチャーを生成します。
この研究は、「G星とK星の周りの太陽系外惑星からの生命の大気ビーコン」と題され、最近発表されました。 Nature Scientific Reports。 NASAゴダード宇宙飛行センターのヘリオフィジクス科学部門（HSD）の上級宇宙物理学者であるウラジミールS.アイラペティアンが率いるチームには、NASAのラングレー研究センター、サイエンスシステムズアンドアプリケーションズインコーポレーテッド（SSAI）、およびアメリカ大学のメンバーが含まれていました。
伝統的に、研究者達は太陽系外惑星の大気中の酸素とメタンの兆候を探してきました。なぜならこれらは有機過程のよく知られた副産物だからです。時間の経過とともに、これらのガスは蓄積し、分光法を使用して検出できる量に達します。ただし、このアプローチには時間がかかり、遠方の惑星からのスペクトルを観測するために天文学者が何日も費やす必要があります。
しかし、Airapetianと彼の同僚によれば、居住可能な可能性のある世界でより粗い署名を検索することが可能です。このアプローチは、既存のテクノロジーとリソースに依存し、時間を大幅に短縮します。 AirapetianがNASAのプレスリリースで説明したように、
「私たちは、基本的な前提条件から生命に至るまでに形成された分子、具体的には大気の78％である分子状窒素を探しています。これらは、生物学的に友好的で強い赤外線放射力を持つ基本的な分子であり、それらを検出する可能性を高めます。」
地球上の生命をテンプレートとして使用して、Airapetianと彼のチームは、太陽系外惑星の大気中の水蒸気、窒素、および酸素ガスの副産物を確認または兆候を表示する新しい方法を設計しました。しかし、本当の秘訣は、活発な矮星で起こる極端な宇宙天気イベントを利用することです。惑星の大気を放射のバーストに曝すこれらの出来事は、天文学者が選ぶ化学反応を引き起こします。
私たちの太陽、G型の黄色い矮星などの星に関しては、そのような天候イベントはまだ若いときによく見られます。しかし、他の黄色とオレンジ色の星は何十億年もの間活動し続け、エネルギッシュな荷電粒子の嵐を生み出すことが知られています。そして、宇宙で最も一般的なタイプであるMタイプ（赤い小人）の星は、長寿命の間ずっと活動し続け、惑星を定期的にミニフレアにさらしています。
これらが太陽系外惑星に到達すると、大気と反応し、窒素（N²）と酸素（O²）ガスを単一原子に、水蒸気を水素と酸素に化学的に解離させます。分解された窒素原子と酸素原子は、その後、化学反応のカスケードを引き起こし、ヒドロキシル（OH）、より分子状の酸素（O）、および一酸化窒素（NO）を生成します。科学者はこれを「大気ビーコン」と呼んでいます。
星の光が惑星の大気に当たると、これらの標識分子がエネルギーを吸収して赤外線を放射します。この放射線の特定の波長を調べることにより、科学者はどの化学元素が存在するかを判断できます。これらの要素の信号強度は、大気圧の指標でもあります。これらの測定値を総合すると、科学者は大気の密度と組成を決定できます。
何十年もの間、天文学者はモデルを使用して、太陽放射に曝された酸素から地球の大気中でオゾン（O³）がどのように形成されるかを計算してきました。これと同じモデルを使用して–涼しく活発な星から予想される宇宙天気イベントと組み合わせて– Airapetianと彼の同僚は、地球のような大気中でどれだけ一酸化窒素と水酸基が形成され、どれだけのオゾンが破壊されるかを計算しようとしました。 。
これを達成するために、彼らはNASAの熱圏電離層中間圏エネルギー力学（TIMED）ミッションのデータを参照しました。これは、地球の大気におけるビーコンの形成を長年研究してきました。具体的には、ブロードバンド放出放射測定（SABRE）装置を使用した大気の観測からのデータを使用して、これらのビーコンの赤外線観測が太陽系外の大気中にどのように現れるかをシミュレーションできました。
マーティン・ムリンチャックとして、NASAのラングレーリサーチセンターのSABRE副主任研究員および論文の共著者として、次のように述べています。
「地球の大気から放出される赤外線について私たちが知っていることを考えると、そのアイデアは、太陽系外惑星を見て、検出できる信号の種類を確認することです。地球とほぼ同じ比率で太陽系外惑星の信号が見つかった場合、惑星は生命をホストするのに適した候補であると言えます。」
彼らが発見したのは、強烈な星の嵐の頻度が、大気ビーコンからの熱信号の強さに直接関係していることでした。より多くの嵐が発生するほど、より多くのビーコン分子が作成され、宇宙望遠鏡で地球から観測されるのに十分に強い信号を生成します。観測時間はわずか2時間です。
彼らはまた、この種の方法が、太陽のような荷電粒子と自然に相互作用する地球のような磁場を持たない太陽系外惑星を排除できることも発見しました。そのようなフィールドの存在は、惑星の大気が取り除かれないことを保証するものであり、したがって居住性にとって不可欠です。 Airapetianが説明したように：
「惑星には磁場を必要とします。それは大気をシールドし、惑星を恒星の嵐と放射線から保護します。恒星風が、表面近くの太陽系外惑星の磁場を圧縮するほど極端でない場合、磁場は大気の脱出を防ぎ、大気中の粒子が多くなり、赤外線信号が強くなります。」
この新しいモデルはいくつかの理由で重要です。一方では、地球の大気の詳細な研究を可能にした研究と、それが宇宙天気とどのように相互作用するかが、現在、太陽系外惑星の研究に向けられているかを示しています。多くの種類の黄色やオレンジ色の星から涼しげな赤い矮星まで、特定のクラスの星の周りの太陽系外惑星の居住性の新しい研究を可能にするかもしれないので、それはまたエキサイティングです。
赤い矮星は宇宙で最も一般的なタイプの星であり、渦巻銀河の星の70％、楕円銀河の星の90％を占めています。さらに、最近の発見に基づいて、天文学者は赤い矮星は岩の多い惑星のシステムを持っている可能性が非常に高いと推定しています。研究チームはまた、ジェームズウェッブ宇宙望遠鏡のような次世代の宇宙機器が、このモデルを使用して居住可能な惑星を見つける可能性を高めることを期待しています。
ゴダードの上級宇宙物理学者で研究の共著者であるウィリアムダンチは、次のように述べています。
「太陽系外惑星の生命の可能性に関する新しい洞察は、NASAゴダードの4つの科学部門である太陽物理学、天体物理学、惑星学、地球科学から得られたデータ、モデル、技術を利用した学際的研究に大きく依存しています。この混合物は、太陽系外惑星の研究のためのユニークで強力な新しい経路を生み出します。」
私たちが太陽系外惑星を直接研究できるようになるまでは、バイオシグネチャーをより識別しやすくし、検出を容易にする開発は非常に貴重です。今後数年間で、Project BlueとBreakthrough Starshotは、アルファケンタウリシステムの最初の直接研究を実施することを望んでいます。しかし、その間、潜在的に居住可能な太陽系外惑星について他の無数の星を調査することを可能にする改善されたモデルは黄金です！
それらは、そのような惑星がどれほど一般的であるかについての私たちの理解を大幅に改善するだけでなく、1つ以上のEarth 2.0の方向に私たちを向けるだけかもしれません！
