潜在的に居住可能な太陽系外惑星を探す場合、天文学者が探す最も重要なことの1つは、太陽系外惑星候補がその星の居住可能ゾーン内を周回するかどうかです。これは、液体の水が惑星の表面に存在するために必要であり、私たちが知っているように、それは今や生命の必須条件です。しかし、新しい太陽系外惑星を発見する過程で、科学者たちは「水の世界」として知られる極端なケースに気づきました。
水の世界は本質的に、質量で最大50％の水の惑星であり、数百キロメートルの深さの表面海をもたらします。プリンストン、ミシガン大学、ハーバードからの天体物理学者のチームによる新しい研究によると、水の世界は非常に長い間彼らの水にとどまることができないかもしれません。これらの発見は、宇宙の首に住むことができる惑星の狩猟に関して非常に重要なものになる可能性があります。
この最新の研究は、「大気の損失による水の世界の脱水」と題され、最近、Astrophysical Journal Lettersに掲載されました。プリンストン大学の天体物理学科のChuanfei Dong率いるチームは、水の世界がどのような条件にさらされるかを考慮したコンピューターシミュレーションを行いました。
この研究は、近年、低質量のM型（赤色矮星）の星系の周りで行われた太陽系外惑星の発見の数によって主に動機付けられました。これらの惑星のサイズは地球と同等であることが判明しています。これは、これらの惑星がおそらく地球にある（つまり岩が多い）ことを示しています。さらに、これらの惑星の多く（プロキシマbや、トラピスト-1システム内の3つの惑星など）は、星の居住可能ゾーン内を周回していることがわかりました。
しかし、その後の研究では、Proxima bや赤い矮星を周回する他の岩の多い惑星が実際には水の世界である可能性があることが示されました。これは、天文調査によって得られた質量の見積もりと、そのような惑星は岩が多く、大気が大規模ではないという組み込みの仮定に基づいていました。同時に、これらの惑星が水につかまることができるかどうかに疑問を投げかける多くの研究が生み出されました。
基本的に、それはすべて、星のタイプと惑星の軌道パラメーターに帰着します。寿命の長い赤い矮星は、太陽に比べて変動が大きく不安定であることが知られています。その結果、周期的にフレアが発生し、時間の経過とともに惑星の大気が失われます。その上、赤い矮星の居住可能ゾーン内を周回する惑星は、おそらく潮汐ロックされます。つまり、惑星の片側が恒星の放射線に常にさらされます。
このため、科学者は、さまざまな種類の星系の太陽系外惑星が大気圏にどれだけうまく留まるかを決定することに集中しています。ドン博士がスペースマガジンに電子メールで伝えたように：
「大気の存在は、惑星の居住性の要件の1つとして認識されていると言っても過言ではありません。とはいえ、居住性の概念は、無数の要因が関係する複雑なものです。したがって、それ自体では居住性を保証するのに十分ではありませんが、それは惑星が居住可能であるための重要な要素と見なすことができます。」
水の世界が大気圏に留まることができるかどうかをテストするために、チームは考えられるさまざまなシナリオを考慮したコンピューターシミュレーションを実施しました。これには、恒星磁場、コロナ質量放出、およびさまざまなタイプの星の大気イオン化と放出の影響が含まれます。G型星（私たちの太陽のような）やM型星（プロキシマケンタウリやTRAPPIST-1など）を含みます。
これらの影響を考慮して、ドン博士と彼の同僚は、太陽系外惑星の大気がどのくらい続くかをシミュレートする包括的なモデルを導き出しました。彼がそれを説明したように：
「私たちは新しい多流体電磁流体力学モデルを開発しました。モデルは、電離層と磁気圏の両方を全体としてシミュレートしました。双極子磁場の存在により、恒星風は大気を直接掃引することはできません（グローバルな双極子磁場がないため火星のように）、代わりに、大気イオンの損失は極風によって引き起こされました。
「電子は親イオンよりも重くないため、惑星の脱出速度まで、またはそれを超えて加速されやすくなります。逃げる低質量電子と著しく重い正電荷イオンとの間のこの電荷分離により、分極電場が形成されます。その電界は、次に、正に帯電したイオンを、脱出する電子の背後に沿って、極冠の大気から引き出す働きをします。」
彼らが見つけたのは、彼らのコンピュータシミュレーションが現在の地球と太陽のシステムと一致しているということでした。ただし、極端な可能性（M型星の周りの太陽系外惑星など）では、状況は大きく異なり、脱出率は1000倍以上になる場合があります。結果は、赤い世界の小さな星を周回する水の世界でさえ、約1ギガ年（Gyr）、10億年後に大気を失う可能性があることを意味します。
私たちが知っているように、進化するのに約45億年かかった人生を考えると、10億年は比較的短い期間です。実際、ドン博士が説明したように、これらの結果は、M型の星を周回する惑星は生命を発達させるのが困難であることを示しています。
「私たちの結果は、イオンの脱出率が非常に低いため、海洋の惑星（太陽のような星を周回する）が大気をGyrタイムスケールよりもはるかに長く維持することを示しています。したがって、これらの惑星での生命の存続期間を長くすることができます。複雑さの点で進化します。対照的に、M-矮星を周回する太陽系外惑星の場合、太陽系外惑星が接近可能な居住可能ゾーンで経験するより強い粒子および放射線環境により、Gyrタイムスケールで海洋が枯渇する可能性があります。大気がGyr未満のタイムスケールで枯渇した場合、これは地球上の生命の起源（生物発生）に問題があることが判明する可能性があります。」
繰り返しますが、これらの結果は、赤色矮星システムの潜在的な居住可能性に疑問を投げかけています。過去に、研究者たちは、主要なシーケンスに最大10兆年以上留まることができる赤い矮星の寿命が、それらを居住可能な太陽系外惑星を見つけるための最良の候補にすることを示しました。ただし、これらの星の安定性と、それらが惑星から大気を取り除く可能性のある方法は、そうでないことを示しているようです。
したがって、このような研究は、赤色矮星の周りに潜在的に居住可能な惑星が潜在的に居住可能であり続けることができる期間に対処するのに役立つという点で非常に重要です。ドンは示されました：
「惑星の居住性における大気損失の重要性を考えると、今後のジェームズウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）などの望遠鏡を使用して、これらの惑星に大気があるかどうか、ある場合はそれらの構成がどのようなものかを決定することに大きな関心が集まっています。 。 JWSTはこれらの大気（存在する場合）を特徴付けることができると予想されますが、脱出率を正確に定量化するには、はるかに高い精度が必要であり、近未来では実現できない可能性があります。」
研究はまた、太陽系とその進化に関する私たちの理解に関する限り、重要です。かつて、科学者たちは地球と金星の両方が水の世界であったかもしれないと冒険しました。非常に水っぽい状態から現在の状態にどのように移行したか–金星の場合、乾燥して地獄です。そして、地球の場合、複数の大陸を持つことは、すべて重要な問題です。
将来的には、これらの競合する理論に光を当てるのに役立つより詳細な調査が期待されます。ジェームズウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）が2018年春に配備されると、その強力な赤外線機能を使用して、近くの赤い矮星の近くの惑星を研究します。これや他の遠方の太陽系外惑星について私たちが学んだことは、私たち自身の太陽系がどのように進化したかについての理解を伝えるのに大いに役立ちます。
