赤色矮星系の居住可能性

赤色矮星系の居住可能性の理論は、多数の要因によって決定されます。現代の証拠は、赤色矮星系の惑星は、恒星の流束が低いこと、潮汐ロックの可能性が高いこと、磁気圏と大気が欠如している可能性が高いこと、およびそのような惑星が経験するであろう恒星の変動が大きいことなどから、居住可能である可能性は低いことを示唆しています。しかし、赤色矮星の数の多さと寿命の長さを考えると、居住可能であるというわずかな可能性を実現する十分な機会が提供されるかもしれません。

赤色矮星系の居住可能性に関する現在の議論は未解決であり、気候モデル化と地球上の生命の進化の分野では未解決の研究課題のままである。観測データと強力な統計的議論は、赤色矮星系が不確定な理由で居住不可能であることを示唆している。^[1]一方、3D気候モデルは、自転が遅く潮汐ロックされた惑星の居住可能性^[2]とより広い居住可能領域を支持している。^[3]

赤色矮星系における生命の発達に対する主な障害は、主星の周りの惑星の偏心軌道によって引き起こされる激しい潮汐加熱である。 ^{[4] [5]}惑星の軸の傾きがないことや、惑星の片側が恒星に常に面し、もう片側が常に背を向けていることによって生じる極端な温度差など、その他の潮汐効果も赤色矮星の周囲での生命の可能性を低下させる。それでも、惑星の大気が熱を再分配し、温度をより均一にする可能性がある。^{[6] [5]}ただし、ほとんどのフレア星は赤色矮星であり（すべての赤色矮星がフレア星であるわけではないが）、そのフレアイベントは大気を侵食して衛星の居住可能性を大幅に低下させる可能性があることに留意することが重要である（ただし、惑星の磁場はこれらのフレアから保護できる）。^{[7]太陽に比べて}スペクトルエネルギー分布が赤外線側にシフトしていることや、光出力が低いために恒星周囲の居住可能領域が狭いことなど、潮汐力以外の要因も赤色矮星系における生命の存在の可能性をさらに低下させている。^[5]

しかし、赤色矮星惑星に生命が存在する可能性を高める要因もいくつかある。潮汐固定惑星の恒星に面した側で強力な雲が形成されると、全体的な熱流束が減少し、惑星の両側の平衡温度差が大幅に減少する可能性がある。 ^[8]さらに、赤色矮星の数が非常に多いため、そのいくつかを周回する居住可能な惑星が存在する可能性が統計的に高まる。赤色矮星は天の川銀河の恒星の約85%を占め^{[9] [10]}、渦巻銀河と楕円銀河の恒星の大部分を構成している。天の川銀河の赤色矮星のハビタブルゾーンには、数百億のスーパーアース惑星があると予想されている。 ^[11]赤色矮星系の居住可能性を調査することは、宇宙における生命の頻度を決定し、生命の進化に関する科学的理解に役立つ可能性がある。

赤色矮星^[12]は、最も小さく、最も温度が低く、最も一般的なタイプの星です。その存在率は、渦巻銀河の星の70%から楕円銀河のすべての星の90%以上までと推定されていますが、^{[13] [14]よく引用される中央値は、天の川銀河（1990年代以降、電波望遠鏡による観測から}棒渦巻銀河であることが知られています）の星の72 ～76%です。^{[15]赤色矮星は通常、}スペクトル型Mと定義されますが、より広い定義もあります（K型の星の一部またはすべても含まれます）。エネルギー出力が低いため、赤色矮星は地球から肉眼で見えることはほとんどなく、太陽に最も近い赤色矮星であるプロキシマ・ケンタウリでも、視認できる等級にはほど遠いです。地球の夜空で最も明るい赤色矮星であるラカイユ 8760 (+6.7) は、理想的な観測条件下でのみ肉眼で見ることができます。

赤色矮星が生命の候補星として持つ最大の利点は、その寿命の長さです。地球上で知的生命が進化するのに45億年かかり、私たちが知っている生命が誕生するのには、さらに10億^[16]から23億^[17] 年かかるでしょう。対照的に、赤色矮星は核反応がより大きな星よりもはるかに遅いため、数兆年も生き続けることができます。^つまり、生命が進化して生き残るにはより長い時間が必要です。

特定の赤色矮星の周囲のハビタブルゾーンに惑星が見つかる可能性はわずかですが、赤色矮星全体のハビタブルゾーンの総量は、その普遍性を考えると、太陽のような恒星の周囲の総量に等しくなります。^[18]さらに、赤色矮星は主系列上で数千億年、あるいはそれ以上生きるため、このハビタブルゾーンの総量はより長く続き、^[19]将来的には微生物や知的生命体の進化を可能にする可能性があります。

長年、天文学者は赤色矮星が生命を宿す可能性のある星である可能性について悲観的だった。赤色矮星の質量は（およそ太陽質量の0.08～0.60倍（M☉））低い_ため、核融合反応は非常にゆっくりと進行し、光度は太陽の10～0.0125%と低い。^[20]その結果、赤色矮星を周回する惑星は、地球のような表面温度を維持するために、半径が小さい必要がある。ラカイユ8760のような比較的明るい赤色矮星では0.268天文単位（AU）だが、プロキシマ・ケンタウリのようなより小さな恒星では0.032 AUである。^[21]そのような惑星では、1年はわずか3～150地球日となる。^{[22] [23]}

これほど近い距離では、恒星の重力によって潮汐ロックが発生する。惑星の片側は恒星に向き続け、もう片側は常に恒星から遠ざかる。潜在的な生命が地獄のような状況や極寒状態を回避できる唯一の方法は、惑星の大気が十分に厚く、恒星の熱を昼側から夜側に伝達できることである。そのような惑星では、低輝度の多くが電磁スペクトルの低エネルギー赤外線と赤色領域に該当するため、光合成は困難であり、励起電位を達成するために追加の光子が必要となる。^[24]潜在的な植物は、はるかに広いスペクトルに適応する可能性が高い（そのため可視光では黒く見える）。^[24]

さらに、水は赤色光と赤外線を強く吸収するため、赤色矮星惑星の水生生物が利用できるエネルギーは少なくなります。^[25]しかし、同様の効果として、水氷による優先吸収により、太陽のような恒星からの同等量の放射線に比べて温度が上昇し、赤色矮星の居住可能領域が外側に広がります。^[26]

赤色矮星の進化も居住可能性を阻害する可能性がある。赤色矮星は主系列前の段階が長いため、最終的な居住可能領域は約 10 億年間、水が液体ではなく気体状態にある領域となる。したがって、実際の居住可能領域にある地球型惑星は、その形成時に豊富な表面水が提供された場合、数億年にわたって暴走温室効果にさらされていただろう。このような初期の暴走温室効果段階では、水蒸気の光分解により水素が宇宙に逃げ、地球の数個の海が失われ、厚い非生物的酸素大気が残る。^[27]

赤色矮星の寿命は既知の宇宙の年齢を超えているため、赤色矮星のさらなる進化は理論とシミュレーションでしか知られていない。コンピュータシミュレーションによると、赤色矮星は水素を使い果たすと青色矮星になる。この種の星は以前の赤色矮星よりも明るいため、以前の段階で凍結されていた惑星は、この進化段階が続く数十億年（たとえば、0.16 M _☉の星の場合は50億年）の間に解凍され 、生命が出現して進化する機会が与えられる可能性がある。^[28]

超低温矮星の居住可能領域に大量の水を保持するには、惑星は恒星に非常に近い軌道を回らなければなりません。^[29]このように軌道距離が近いと、主星との潮汐ロックが発生する可能性があります。潮汐ロックにより、惑星は恒星の周りを一周するごとに自転します。その結果、惑星の片側は恒星に面し、もう片側は恒星から離れた方向を向くことになり、温度の極端な差が生じます。

長年、そのような惑星の生命は、恒星が常に地平線上か地平線近くに現れる、境界線として知られるリング状の領域に限られると信じられてきた。また、惑星の両側の間での効率的な熱伝達には、光合成ができないほど厚い大気の循環が必要であるとも信じられていた。加熱差により、潮汐固定された惑星では、地元の恒星に直接面した点、^[30]太陽直下点で激しい風と絶え間ない集中豪雨に見舞われると主張された。ある著者の意見では、これにより複雑な生命が存在する可能性は低い。^[31]植物は、例えば土にしっかりと根を下ろし、折れない長く柔軟な葉を生やすなどして、絶え間ない強風に適応する必要があるだろう。動物は、惑星全体の強風の騒音の中では鳴き声や匂いによる合図が難しいため、赤外線視覚に頼ることになるだろう。しかし、水中の生物は激しい風やフレアから守られ、大量の黒い光合成性プランクトンや藻類が海洋生物を支えることができるだろう。^[32]

生命の存在についてはこれまで暗い見通しが持たれていたが、1997年にNASAエイムズ研究センターが行った研究では、惑星の大気（温室効果ガスのCO ₂とH ₂ Oを含むと仮定）が100ミリバール、つまり地球の大気の10%であれば、恒星の熱が効果的に夜側に運ばれることが示されており、これは光合成の範囲内の数値である。^[33]その後の研究では、海盆が夜側の氷冠の下を自由に流れるほど深ければ、海水も凍結することなく効果的に循環できることが示された。さらに、2010年の研究では、恒星に潮汐固定された地球のような水惑星でも、夜側の温度は240 K（-33 °C）を超えると結論付けられた。^[34] 2013年に構築された気候モデルは、潮汐固定惑星上の雲の形成が昼側と夜側の温度差を最小限に抑え、赤色矮星惑星の居住可能性の見通しを大幅に改善することを示唆している。^[8]光合成有効放射の量を考慮するなどのさらなる研究により、赤色矮星系の潮汐固定惑星は少なくとも高等植物が居住可能である可能性があることが示唆されている。^[35]

赤色矮星の周囲に生命が存在する可能性は、昼側と夜側が常に存在するという点だけではない。赤色矮星の居住可能領域にある太陽質量の 30% 未満の惑星は、潮汐加熱によって「焼き尽くされ」、「潮汐金星」になる可能性がある。^[4] M 型矮星を周回する 150 個以上の惑星の離心率が測定され、これらの太陽系外惑星の 3 分の 2 が極端な潮汐力にさらされており、潮汐加熱によって発生する高熱のために居住不可能になっていることが判明した。^[36]

赤色矮星の居住可能性に対する他の障害と相まって^[6]、多くの赤色矮星が我々が知る生命を宿す可能性は他の恒星タイプに比べて非常に低いかもしれない。^[5]多くの赤色矮星の周りには居住可能な惑星を形成できるほどの水さえ存在しないかもしれない。^[37]これらの惑星、特に地球サイズの惑星で見つかったわずかな水は、惑星の冷たい夜側にあるかもしれない。しかし、潮汐力のある金星に関する以前の研究の予測とは対照的に、この「閉じ込められた水」は暴走する温室効果を食い止め、赤色矮星系の居住可能性を向上させるのに役立つかもしれない。^[38]

ただし、潮汐ロックの発生速度は惑星の海洋や大気によって異なり、数十億年経っても潮汐ロックが起こらない場合もあることに注意する必要がある。さらに、潮汐ロックは潮汐減衰の唯一の最終状態ではない。たとえば水星は潮汐ロックするのに十分な時間があったが、3:2の自転軌道共鳴状態にある。^[39]

赤色矮星は、より大きく安定した同族の星よりもはるかに不安定です。多くの場合、赤色矮星は恒星黒点で覆われ、数か月間、放射光が最大 40% 暗くなることがあります。また、赤色矮星は巨大なフレアを放出し、数分で明るさが 2 倍になることもあります。^[40]実際、変動性が精査される赤色矮星が増えるにつれて、それらの多くが程度の差こそあれフレア星として分類されるようになりました。このような明るさの変動は、生命にとって非常に有害である可能性があります。最近の 3D 気候モデルは、任意の惑星が受ける恒星の放射量を変更することで、フレア イベントをシミュレートします。ある研究では、潮汐固定された惑星が十分な大気を持っている場合、雲の覆いとアルベドは恒星の放射量とともに単調に増加し、放射の変動に対する惑星の回復力が高まることがわかりました。^[8]しかし、この警告は難しいことが証明されている。なぜなら、フレアは惑星の大気のかなりの部分を剥ぎ取る可能性のある荷電粒子の奔流を生み出すからである。^[41]希土類仮説を支持する科学者は、強いフレアの中で赤色矮星が生命を維持できるかどうか疑問視している。潮汐ロックはおそらく比較的低い惑星磁気モーメントをもたらすだろう。コロナ質量放出（CME）を放出する活動的な赤色矮星は、磁気圏を惑星の大気と接触するまで押し戻すだろう。その結果、大気は激しい浸食を受け、惑星は居住不可能になる可能性がある。 ^{[42] [43] [44]} 赤色矮星のCME発生率は、自転やフレア活動から予想されるよりもはるかに低く、大きなCMEはめったに発生しないことが判明した。これは、大気の浸食はCMEではなく主に放射線によって引き起こされることを示唆している。^[45]

あるいは、もし惑星が磁場を持っていれば、大気からの粒子を偏向させるだろうと示唆されている（潮汐固定されたM型矮星惑星のゆっくりとした自転（恒星の周りを1周するごとに1回自転する）でさえ、惑星内部の一部が溶融したままである限り、磁場を生成するのに十分である）。^{[46]この磁場は、観測された大きさ（地球の0.5Gと比較して}10〜1000G ） のフレアから保護するためには、地球に比べてはるかに強力であるはずであるが、そのような磁場は生成される可能性は低い。^[47] しかし数学モデルは、^{[48] [49] [50]}ダイナモによって生成される磁場の最高強度下でも、地球と同程度の質量を持つ太陽系外惑星は、CMEバーストやXUV放射による太陽系外基盤の大気の浸食によって大気のかなりの部分を失うと結論付けている（0.8 AUより近い地球型惑星でさえ、G型星やK型星にも影響を与え、大気を失う傾向がある）。大気の浸食は、水の海の枯渇を引き起こす可能性もある。^{[51]原始地球や土星の衛星タイタンのように}炭化水素の厚いもやに覆われた惑星は、浮遊する炭化水素の液滴が紫外線を吸収するのに特に効率的であるため、フレアを生き延びる可能性がある。^[52]

実際の測定では、赤色矮星を周回する2つの太陽系外惑星には大気は存在しないとされている。TRAPPIST -1 bとTRAPPIST-1 cは岩石で覆われているか、同じくらい薄い大気を持っている。^[53]

生命が当初放射線から身を守るもう一つの方法は、惑星が液体の海を維持するのに十分な大気を保持できると仮定すると、恒星が初期のフレア段階を通過するまで水中に留まることです。生命が陸地に到達したら、静かな赤色矮星によって生成される紫外線の量が少ないため、生命はオゾン層なしで繁栄することができ、酸素を生成する必要はありません。^[24]

赤色矮星の周りの惑星が生命を維持するには、フレアから守るために急速に回転する磁場が必要である。潮汐ロックされた惑星は非常にゆっくりとしか回転しないため、その中心で地球ダイナモを発生させることはできない。赤色矮星のライフサイクルにおける激しいフレア期間は、その存在の最初の約 12 億年しか続かないと推定されている。惑星が潮汐ロックを避けるために赤色矮星から遠く離れた場所で形成され、この混乱した初期の期間の後に恒星の居住可能領域に移動した場合、生命が発達するチャンスがある可能性がある。^[54]

最も大きなフレアは恒星の極付近の高緯度で発生することが分かっている。そのため、太陽系外惑星の軌道が恒星の自転と一致する場合、これまで考えられていたよりもフレアの影響は少ない。^[55]しかし、70億年から120億歳のバーナード星の観測では、古い赤色矮星でも著しいフレア活動が発生する可能性があることが示された。バーナード星は長い間活動がほとんどないと考えられていたが、1998年に天文学者が強烈な恒星フレアを観測し、フレア星であることが示された。^[56]

メタンベースの生命が存在する可能性がある場合（タイタンの仮説上の生命に似ている）、メタンが液体である領域に対応する、恒星からさらに離れた場所に2番目の居住可能領域が存在することになる。タイタンの大気は赤色光と赤外線を透過するため、赤色矮星からの光の多くがタイタンのような惑星の表面に到達すると予想される。^[57]

スピッツァー宇宙望遠鏡のアーカイブデータの研究により、超低温矮星の周囲に地球サイズの惑星がどのくらいの頻度で存在するかについての最初の考えと推定が示されました。その頻度は30～45%です。 ^[58 ]コンピューターシミュレーションでは、TRAPPIST-1（約0.084 M _⊙）と同程度の質量を持つ恒星の周りに形成される惑星は、地球と同程度の大きさである可能性が高いことがわかりました。^[59]

赤色矮星系内に存在する架空の「エイリアン」の例としては、次のようなものがあります。

• アーク：スティーブン・バクスターのアークは、地球が完全に海に沈んだ後、少数の人類が恒星間旅行に乗り出し、最終的にアース III という惑星にたどり着きます。この惑星は寒く、潮汐固定されており、植物は黒色です（赤色矮星からの光を吸収しやすくするため）。
• ドラコ タバーン:ラリー ニーヴンのドラコ タバーンの物語では、高度に進化したチルプシトラ エイリアンは、赤色矮星の周りの潮汐固定酸素世界で進化しました。ただし、地球の質量の約 1 倍で、少し寒く、赤色矮星の太陽光を利用していたこと以外は、詳細は明かされていません。
• ネメシス:アイザック・アシモフは、赤色矮星ネメシスの潮汐力の影響の問題を回避するために、居住可能な「惑星」を恒星に潮汐力で固定された巨大ガス惑星の衛星にしました。
• スターメーカー:オラフ・ステープルドンの1937年のSF小説『スターメーカー』では、彼が描写する銀河系内の多くの異星文明の1つが、赤色矮星系の潮汐ロック惑星の境界領域に位置している。この惑星には、腕、脚、頭を持つニンジンのような植物が、土地の土光合成、土から出てくる運動生物として目覚め、現代の産業文明。ステープルドンはまた、この惑星で生命がどのように進化したかについても描写している。^[60]
• スーパーマン: スーパーマンの故郷であるクリプトンはラオと呼ばれる赤い星の周りを周回していました赤色巨星と呼ばれることの方が多いです。
• レディ ジェット ゴー! : 子供向け番組「レディ ジェット ゴー!」、キャロット、セロリ、ジェットは、架空の赤色矮星ボルトンの惑星、ボルトン 7 から来たボルトニアンと呼ばれる宇宙人の家族です。彼らは地球と太陽を「レディ ジェット ゴー!: ボルトン 7 へ」の歌で、ボルトニアン太陽系の惑星について説明しました。
• オーレリア: ドキュメンタリー『 Extraterrestrial 』 （別名Alien Worlds）赤色矮星を周回する惑星における地球外生命体の存在について科学者が理論づけている内容を詳しく描いています。

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• 惑星の居住可能性
• 地球外知的生命体探査（SETI）

Wikiversity からの学習教材:

• 赤色矮星系における生命の進化

• スティーブンソン、デビッド・S. (2013)。深紅の太陽の下で：赤色矮星系における生命の展望。ニューヨーク、ニューヨーク：出版社：Springer。ISBN 978-1461481324。

• 「赤色矮星はおそらく地球2.0にとって友好的ではない」。Seeker 。 2015年5月26日。