銀河の居住可能領域

宇宙生物学および惑星天体物理学において、銀河のハビタブルゾーンとは、銀河の中で生命が最も発達する可能性のある領域のことである。銀河のハビタブルゾーンの概念は、金属量（水素やヘリウムよりも重い元素の存在）や超新星などの大災害の発生率や密度など、さまざまな要因を分析し、これらを使用して、銀河のどの領域が地球型惑星を形成し、最初に単純な生命を発達させ、この生命が進化して進歩するのに適した環境を提供する可能性が高いかを計算する。^{[1] 2015年8月に発表された研究によると、非常に大きな銀河は、}天の川銀河などの小さな銀河よりも、居住可能な惑星の誕生と発達に有利である可能性がある。^[2]天の川銀河の場合、その銀河の居住可能領域は、外半径が約10キロパーセク（33,000 光年）で、内半径が銀河中心に近い環状領域であると一般的に考えられています（どちらの半径にも明確な境界はありません）。^{[1] [3]}

銀河のハビタブルゾーン理論は、銀河の領域が生命の出現に有利となる要因を正確に定量化できないため批判されてきた。^[3]さらに、コンピューターシミュレーションでは、恒星が銀河中心の周りの軌道を大きく変える可能性があることが示唆されており、したがって、一部の銀河領域が他の領域よりも生命を維持するのに必然的に適しているという見解の少なくとも一部に疑問が投げかけられている。^{[4] [5] [6]}

恒星周ハビタブルゾーンという概念は、1953年にフーベルトゥス・シュトゥルグホールドとハーロー・シャプレー^{[7] [8]}によって、また1959年にはスーシュ・ホアン^[9]によって、恒星の周囲を公転する惑星が表面に水を保持できる領域として提唱された。1970年代から、惑星科学者や宇宙生物学者は、近くの超新星が生命の発達に及ぼす影響など、生命の創造と維持に必要なさまざまな他の要因を考慮し始めた。^[10] 1981年、コンピューター科学者のジム・クラークは、天の川銀河に地球外文明がほとんど存在しないように見えるのは、活動銀河核からのセイファート型の爆発によって説明でき、地球だけが銀河系内での位置のおかげでこの放射線から免れていると提唱した。^[11]同年、ウォレス・ハンプトン・タッカーはより一般的な文脈で銀河の居住可能性を分析したが、その後の研究により彼の提案は置き換えられた。^[12]

現代の銀河ハビタブルゾーン理論は、1986年にロシア宇宙研究所のLSマロチニクとLMムキンによって提唱され、彼らはそのゾーンを知的生命体が繁栄できる領域と定義しました。^[13] ドナルド・ブラウンリーと古生物学者のピーター・ワードは、 2000年の著書「レアアース：なぜ複雑な生命は宇宙で珍しいのか」で、銀河ハビタブルゾーンの概念と複雑な生命の出現に必要な他の要因を詳しく説明しました。^[14]その本の中で、著者らは銀河ハビタブルゾーンを他の要因とともに使用して、知的生命体が宇宙で一般的ではないと主張しました。

銀河のハビタブルゾーンというアイデアは、2001年にウォードとブラウンリーがワシントン大学のギレルモ・ゴンザレスと共同で発表した論文でさらに発展した。^{[15] [16]}その論文で、ゴンザレス、ブラウンリー、ウォードは、銀河のハロー付近の領域には居住可能な地球型惑星を形成するのに必要な重元素が不足しており、そのため銀河のハビタブルゾーンの大きさに外向きの制限が生じると述べている。 ^[10]しかし、銀河の中心に近すぎると、本来は居住可能な惑星であっても、多数の超新星やその他のエネルギーの高い宇宙現象、さらには主星のオールトの雲の摂動によって引き起こされる過度の彗星の衝突にさらされることになる。そのため、著者らは銀河のハビタブルゾーンの内側の境界を、銀河バルジのすぐ外側に設定した。^[10]

銀河系のある場所が銀河系居住可能領域の一部であると特定するには、さまざまな要因を考慮する必要があります。これには、恒星と渦巻き腕の分布、活動銀河核の有無、生命の存在を脅かす可能性のある近くの超新星の頻度、その場所の金属量、およびその他の要因が含まれます。^[10]これらの要因が満たされなければ、銀河系のある領域は効率的に生命を創造または維持することはできません。

恒星の周囲に生命が存在するための最も基本的な要件の1つは、その恒星が生命を維持するのに十分な質量を持つ地球型惑星を生み出す能力があることです。居住可能な惑星を生み出すには、鉄、マグネシウム、チタン、炭素、酸素、ケイ素などのさまざまな元素が必要であり、これらの濃度と比率は銀河全体で異なります。^[10]

最も一般的なベンチマーク元素比はFe/Hの比であり、これは銀河系のある領域で地球型惑星が形成される傾向を決定する要因の 1 つです。銀河系の中心に最も近い領域である銀河バルジでは、太陽の比に対して-0.2デシマル指数単位(dex) でピークとなる [Fe/H] 分布を示します (ここで -1 はそのような金属量の1 ⁄ 10になります)。ローカルアームのローカルセクターがある薄いディスクでは、銀河系の中心の周りの太陽の軌道距離で平均金属量が -0.02 デシマルであり、軌道距離が 1キロパーセク増えるごとに 0.07 デシマルずつ減少します。広がった厚いディスクの平均 [Fe/H] は -0.6 dex であるのに対し、銀河中心から最も遠い領域であるハローでは [Fe/H] 分布のピークが最も低く、約 -1.5 dex である。 ^[10]さらに、[C/O]、[Mg/Fe]、[Si/Fe]、[S/Fe] などの比率は、銀河の領域が居住可能な地球型惑星を形成する能力に関連している可能性があり、これらのうち [Mg/Fe] と [Si/Fe] は時間の経過とともにゆっくりと減少しており、将来の地球型惑星はより大きな鉄の核を持つ可能性が高いことを意味している。^[10]

地球型惑星の質量を構成するさまざまな安定元素の特定量に加えて、惑星内部を加熱し、プレートテクトニクス、火山活動、地磁気ダイナモなどの生命維持プロセスに電力を供給するために、 ⁴⁰ K、²³⁵ U、²³⁸ U 、²³² Thなどの放射性核種が豊富に必要です。^{[10] [U/H]と[Th/H]比は[Fe/H]比に依存しますが、既存のデータでは40} Kの豊富さの一般的な関数を作成することはできません。^[10]

内部を加熱するのに十分な放射性同位元素を持つ居住可能な惑星であっても、生命を生み出すためにはさまざまな生命誕生前の分子が必要であるため、銀河系におけるこれらの分子の分布は銀河系の居住可能領域を決定する上で重要である。^{[13]サマンサ・ブレアとその同僚による2008年の研究では、天の川銀河全体に散らばるさまざまな}巨大分子雲からのホルムアルデヒドと一酸化炭素の放出を分析することによって、銀河系の居住可能領域の外縁を特定しようとしたが、データは決定的でも完全でもない。

金属量が多いと地球型太陽系外惑星の形成に有利だが、金属量が多すぎると生命にとって有害となる。金属量が多すぎると、特定の系内に多数の巨大ガス惑星が形成される可能性があり、これらの巨大ガス惑星はその後、系の凍結線を超えて移動してホットジュピターとなり、本来であれば系の恒星周ハビタブルゾーンに位置していたはずの惑星を撹乱する可能性がある。^{[17]したがって、}ゴルディロックス原理は金属量にも当てはまることがわかった。つまり、金属量の低い系では地球型質量の惑星が形成される確率が低いのに対し、金属量が多すぎると多数の巨大ガス惑星が発達し、系の軌道ダイナミクスが乱され、系内の地球型惑星の居住可能性が変化する。

恒星は、化学的に生命の発達に有利な銀河の領域にあるだけでなく、居住可能な惑星の生命に損害を与える可能性のある壊滅的な宇宙現象を過度に多く避けなければなりません。^[17]たとえば、近くの超新星は、惑星の生命に深刻な害を及ぼす可能性があります。そのような壊滅的な爆発が頻繁に発生すると、数十億年にわたって銀河の領域全体を不毛にする可能性があります。たとえば、銀河バルジでは、非常に急速な星形成の初期の波が起こり、^[10]超新星のカスケードを引き起こし、50億年にわたってその領域で生命がほとんど発達できない状態になりました。

超新星に加えて、ガンマ線バースト^[18]、過剰な放射線、重力摂動^[17]、およびその他のさまざまなイベントが銀河内の生命の分布に影響を与えると提案されています。これには、議論の余地がありますが、彗星の衝突を引き起こす可能性のある「銀河潮汐」や、生物を通過して遺伝子変異を引き起こす暗黒物質の冷たい物体^{[18]などの提案が含まれます。 [19]}ただし、これらのイベントの多くは、その影響を定量化するのが難しい場合があります。^[17]

銀河の様々な形態学的特徴が、その居住可能性に影響を与える可能性がある。例えば、渦巻き腕は星形成の場であるが、そこには多数の巨大分子雲と高密度の星が存在するため、星のオールトの雲が乱れ、彗星や小惑星がさらに内側の惑星に向かってなだれのように押し寄せる可能性がある。^[20]さらに、星の高密度と大質量星形成の速度により、渦巻き腕内を周回する星は超新星爆発に長期間さらされ、生命の生存と発展の見込みが低下する可能性がある。^[20]これらの要因を考慮すると、太陽は銀河内で有利な位置にある。渦巻き腕の外側にあることに加えて、共回転円の近くを周回しているため、渦巻き腕の交差間隔が最大になる。^{[20] [21]}

渦巻き腕は惑星の気候変化を引き起こす可能性もある。銀河の渦巻き腕の密集した分子雲を通過すると、恒星風が押し戻されて、軌道を周回する惑星の大気中に反射性の水素層が蓄積し、スノーボールアースのシナリオにつながる可能性がある。^{[6] [22]}

銀河のバーは銀河の居住可能領域の大きさにも影響を与える可能性がある。銀河のバーは時間とともに成長し、最終的には銀河の共回転半径に達し、そこにすでに存在する恒星の軌道を乱すと考えられている。^[21]例えば、金属量の低い銀河のハローと放射線量の高い銀河の中心の中間に位置する太陽のような金属量の高い恒星は、銀河全体に散在し、銀河の居住可能領域の定義に影響を与える可能性がある。このため、銀河の居住可能領域を適切に定義することは不可能かもしれないと示唆されている。^[21]

ゴンザレス、ブラウンリー、ウォードによる2001年の論文を含む銀河の居住可能領域に関する初期の研究では、特定の境界は定められておらず、その領域は金属が豊富で過剰な放射線から免れている銀河の領域を囲む環状領域であり、居住可能性は銀河の薄い円盤部でより高くなると述べられているだけであった。^[10]しかし、2004年にラインウィーバーと同僚が行ったその後の研究では、銀河系の場合、銀河中心から7kpcから9kpcの範囲でこの環状領域の境界が作成された。

ラインウィーバーチームはまた、時間に関する銀河のハビタブルゾーンの進化を分析し、例えば、銀河バルジに近い恒星が居住可能な惑星を持つためには、約20億年の時間枠内で形成されなければならないことを発見した。^[17]その時間枠以前は、銀河バルジの恒星は頻繁な超新星爆発によって生命を維持できる惑星を持つことができなかった。しかし、超新星爆発の脅威が収まった後、銀河核の金属量の増加は、最終的にそこの恒星に多数の巨大惑星が存在することを意味し、恒星系を不安定にし、恒星の恒星周縁のハビタブルゾーンにある惑星の軌道を根本的に変える可能性がある。^{[17]しかし、2005年に}ワシントン大学で行われたシミュレーションでは、ホットジュピターが存在しても、地球型惑星は長い時間スケールで安定したままである可​​能性があることが示されている。^[23]

ミラン・チルコビッチと同僚による2006年の研究では、時間依存の銀河の居住可能領域の概念を拡張し、さまざまな破滅的な出来事と、その根底にある銀河のダイナミクスの永年的進化を分析しました。 ^[18]この論文では、破滅的な出来事のタイミングが予測できないため、居住可能な惑星の数は時間とともに大きく変動する可能性があり、その結果、居住可能な惑星が存在する可能性が高い時期とそうでない時期があるという断続的均衡が生まれると考察しています。 ^{[18]天の川銀河の}おもちゃのモデルに対するモンテカルロシミュレーションの結果に基づいて、研究チームは、居住可能な惑星の数は時間とともに増加する可能性が高いが、完全に直線的なパターンではないことを発見しました。^[18]

その後の研究では、銀河のハビタブルゾーンを環状領域とする古い概念が根本的に修正された。2008年、ニコス・プランツォスによる研究では、惑星が超新星爆発による滅菌を免れる確率は銀河中心から約10kpcの距離で最も高いが、銀河内層の恒星の密度が高いため、居住可能な惑星が最も多く見つかる可能性があることが明らかになった。^{[3]この研究は、マイケル・ゴーワンロックによる2011年の論文で裏付けられ、ゴーワンロックは、超新星爆発を生き延びた惑星の頻度を銀河中心からの距離、}銀河面からの高さ、年齢の関数として計算し、最終的に、銀河内の恒星の約0.3％が現在複雑な生命を支えることができ、赤色矮星惑星の潮汐ロックが複雑な生命の発達を妨げると考えなければ1.2％であることが判明した。 ^[1]

銀河のハビタブルゾーンという概念は、ニコス・プランツォスによって批判されている。その理由は、それを作り出すパラメータは近似値ですら定義不可能であり、したがって銀河のハビタブルゾーンは、それ自体が目的ではなく、生命の分布をよりよく理解するための有用な概念的ツールにすぎない可能性があるというものである。^[3]これらの理由から、プランツォスは、居住可能性が空間と時間の特定の領域に限定されるのではなく、銀河全体が居住可能である可能性があると示唆している。^[3]さらに、銀河の渦巻き腕に「乗る」星は、元の軌道から数万光年移動する可能性があるため、特定の銀河のハビタブルゾーンが1つだけあるわけではないという考えを裏付けている。^{[4] [5] [6] 2010年、}エディンバラ王立天文台のダンカン・フォーガンは、チルコビッチが2006年に使用したメカニズムを改良したモンテカルロシミュレーションを実施した。実験から収集されたデータは、銀河系内に明確に定義された居住可能領域は存在しないというプランツォスの考えを裏付けており、天の川銀河には何百もの地球外文明が存在する可能性があることを示しているが、決定的な判断を下すにはさらなるデータが必要となるだろう。^[24]

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