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天文学と宇宙生物学において、生命居住可能領域（HZ）、より正確には恒星周生命居住可能領域（CHZ）とは、十分な大気圧があれば惑星の表面に液体の水が存在できる恒星の周りの軌道の範囲である。[1] [2] [3] [4] [5] HZの境界は、太陽系における地球の位置と、太陽から受ける放射エネルギーの量に基づいている。地球の生物圏にとって液体の水が重要であるため、HZとその中の物体の性質は、地球のような地球外生命と知性を維持できる惑星の範囲と分布を決定する上で重要な役割を果たす可能性がある。
ハビタブルゾーンはゴルディロックスゾーンとも呼ばれ、子供向けのおとぎ話「ゴルディロックスと三匹の熊」の隠喩、暗示、語呂合わせで、小さな女の子が3つのアイテムのセットから選択し、極端すぎるもの（大きすぎたり小さすぎたり、暑すぎたり寒すぎたりなど）を拒否して、真ん中の「ちょうどいい」ものに落ち着くという話です。
1953年にこの概念が初めて発表されて以来、[6]多くの恒星に HZ 惑星が存在することが確認されており、その中には複数の HZ 惑星からなるシステムもいくつかある。[7]このような惑星のほとんどはスーパーアースまたは巨大ガス惑星であり、地球よりも質量が大きい。これは、質量の大きい惑星の方が検出しやすいためである。[8] 2013年11月4日、天文学者はケプラー宇宙望遠鏡のデータに基づき、天の川銀河の太陽のような恒星と赤色矮星のハビタブルゾーンを周回する地球サイズの 惑星が400億個もある可能性があると報告した。[9] [10]これらのうち約110億個が太陽のような恒星を周回している可能性がある。[11]プロキシマ・ケンタウリbは、地球から約4.2光年（1.3パーセク）離れたケンタウルス座にあり、最も近い既知の太陽系外惑星であり、その恒星のハビタブルゾーンを周回しています。[12] HZは、HZ内の惑星質量の衛星の数が惑星の数を上回る可能性があるため、自然衛星の居住可能性に関する新興分野でも特に興味深いものです。[13]
その後の数十年で、HZ 概念は生命の主要な基準として疑問視されるようになり、概念は今も進化を続けています。[14]地球外液体の水 の証拠が発見されて以来、大量の液体の水が恒星周ハビタブルゾーンの外側に存在すると考えられるようになりました。太陽系のリソスフェアとアセノスフェアには大量の液体の水が存在することが知られていることから、地球のような恒星エネルギーとは独立して存在する深部生物圏の概念は、宇宙生物学では今では一般的に受け入れられています。[15]潮汐加熱[16] [17]や放射性崩壊[18]などの他のエネルギー源によって維持されたり、大気以外の手段で加圧されたりして、液体の水は放浪惑星やその衛星でも見つかる可能性があります。 [19]液体の水は、地球上の海水中の塩化ナトリウム、赤道直下の火星の塩化物や硫酸塩[20]、またはアンモニア[21]などの溶液として、より広い範囲の温度と圧力で存在することもできます。これは、その異なる凝集特性によるものです。さらに、代替の生化学に基づく仮想生命に適した非水溶媒が表面に液体の形で存在できる可能性のある他の恒星周領域が提案されています。[22]
歴史
液体の水が存在できる太陽からの距離の推定値は、ニュートンの 『プリンキピア』（第3巻第1節第4章）に記されている。[23]哲学者ルイ・クロード・ド・サン＝マルタンは、 1802年の著書『人間：その真の性質と使命』で次のように推測している。「…植物が生える可能性のある地球は、惑星の系列の中で、植物を生えるという二次目的を達成するために必要な順位に、太陽からちょうど適切な距離に配置されていると推測できる。このことから、他の惑星は植物を生えるには太陽から近すぎるか遠すぎると推測できる。」[24]
恒星周生命居住可能領域の概念は 、1913年にエドワード・マンダーの著書「惑星には生命が生息しているか？」で初めて紹介されました。[26]この 概念は後に1953年にフーベルトゥス・シュトルゴルドによって議論され、彼は論文「緑の惑星と赤い惑星：火星生命の可能性に関する生理学的研究」の中で「生態圏」という用語を作り出し、生命が出現する可能性のあるさまざまな「領域」に言及しました。[6] [27]同年、ハーロウ・シャプレーは「液体の水ベルト」を執筆し、同じ概念をさらに科学的に詳細に説明しました。どちらの作品も、生命にとって液体の水の重要性を強調しています。[28]アメリカの天体物理学者、黄蘇樹は1959年に「ハビタブルゾーン」という用語を初めて導入し、十分に大きな天体であれば液体の水が存在できる恒星の周囲の領域を指し、惑星の居住可能性と地球外生命の文脈で初めて導入した。[29] [30]ハビタブルゾーンの概念に初期から大きく貢献した黄は、1960年に、複数の恒星系では重力の不安定性を考慮すると、恒星周囲のハビタブルゾーン、ひいては地球外生命は珍しいと主張した。[31]
ハビタブルゾーンの概念は、1964年にスティーブン・H・ドールの著書『人類が居住可能な惑星』でさらに発展しました。ドールは、恒星周ハビタブルゾーンの概念や惑星の居住可能性を決定づける他のさまざまな要因について議論し、最終的に天の川銀河の居住可能な惑星の数を約6億個と推定しました。[2]同時に、SF作家のアイザック・アシモフは、宇宙植民地化に関するさまざまな調査を通じて、恒星周ハビタブルゾーンの概念を一般大衆に紹介しました。[32] 「ゴルディロックスゾーン」という用語は、1970年代に登場し、特に水が液体の状態で存在するのに「ちょうどよい」温度の恒星の周りの領域を指していました。[33] 1993年、天文学者のジェームズ・カスティングは、当時（そして現在も）ハビタブルゾーンとして知られている領域をより正確に指すために「恒星周ハビタブルゾーン」という用語を導入しました。[29]カスティングは、太陽系外惑星のハビタブルゾーンの詳細なモデルを提示した最初の人物でした。[3] [34]
ハビタブルゾーンの概念が更新されたのは2000年、天文学者のピーター・ワードとドナルド・ブラウンリーが「銀河のハビタブルゾーン」という概念を導入したときで、後に彼らはこれをギレルモ・ゴンザレスと共同で発展させた。[35] [36]銀河のハビタブルゾーンは、銀河内で生命が出現する可能性が最も高い領域と定義され、銀河中心に十分近いため恒星に重元素が豊富に存在するが、銀河中心で一般的に見られる強烈な放射線と巨大な重力によって恒星系、惑星軌道、生命の出現が頻繁に妨げられるほど近くはない領域を含む。[35]
その後、一部の宇宙生物学者は、この概念を水素、硫酸、窒素、ホルムアミド、メタンなど他の溶媒にまで拡張し、代替の生化学を利用する仮説上の生命体を支えることを提案した。[22] 2013年には、ハビタブルゾーンの概念がさらに発展し、「ハビタブルエッジ」としても知られる惑星周回ハビタブルゾーンが提案された。これは、天然衛星の軌道が乱されず、同時に惑星からの潮汐加熱によって液体の水が沸騰しない惑星の周囲の領域を包含するものである。[37]
「恒星周ハビタブルゾーン」という現在の用語は、その名前からこの領域内の惑星が居住可能な環境を持つことが示唆されるため、混乱を招くことが指摘されている。[38] [39]しかし、表面の状態はその惑星のさまざまな個別の特性に依存している。[38] [39]この誤解は、「居住可能な惑星」に関する興奮した報告に反映されている。[40] [41] [42]これらの遠方のHZ世界の条件が生命を宿す可能性があるかどうかはまったく不明であるため、別の用語が必要である。[39] [41] [43] [44]
決定
天体がその主星の恒星周回ハビタブルゾーン内にあるかどうかは、惑星の軌道半径（天然衛星の場合は主惑星の軌道）、天体自体の質量、および主星の放射フラックスによって決まる。恒星周回ハビタブルゾーン内の惑星の質量の大きなばらつきと、地球よりも厚い大気と強い磁場を維持できるスーパーアース惑星の発見により、現在、恒星周回ハビタブルゾーンは2つの別々の領域に分割されている。1つは地球のような低質量の惑星が居住可能な「保守的ハビタブルゾーン」で、もう1つはより広い「拡張ハビタブルゾーン」で、より強い温室効果を持つ金星のような惑星が表面に液体の水が存在するのに適した温度になる。[46]
太陽系の推定
太陽系内の居住可能領域の推定値は0.38天文単位から10.0天文単位の範囲であるが[47] [48] [49] [50]、この推定値に到達することはさまざまな理由から困難である。多くの惑星質量物体がこの範囲内、またはこの範囲内に近い軌道を周回しており、そのため水の凝固点を超える温度に上昇させるのに十分な太陽光を浴びている。しかし、それらの大気の状態は大きく異なる。
例えば、金星の遠日点は、ほとんどの推定でハビタブルゾーンの内縁に接しており、表面の大気圧は液体の水には十分であるが、強い温室効果により表面温度が462 °C（864 °F）まで上昇し、これを超えると水は蒸気としてしか存在できない。[51]月[52] 、[53]、および多数の小惑星の軌道全体も、さまざまな推定値で生命居住可能ゾーン内にある。火星の最低高度（惑星表面の30%未満）でのみ、水が（もし存在する場合）短期間液体の形で存在できるほどの大気圧と温度となっている。[54]例えばヘラス盆地では、火星の1年のうち70日間、大気圧が1,115 Paに達し、気温が摂氏0度（水の三重点付近）を超えることがある。[54]火星の暖かい斜面には季節的な水の流れがあるという間接的な証拠があるものの、[55] [56] [57] [58]そこに液体の水が存在するという確認はなされていない。彗星など他の天体もこの領域の一部を周回しているが、惑星質量を持つのはケレス[59]のみである。質量が小さく、太陽風による蒸発や大気の損失を緩和できないため、これらの天体は表面に液体の水を維持することが不可能である。
それにもかかわらず、研究では、金星[60]、火星[61] 、 [62]、[63] ベスタ[64]、ケレス[65] 、 [66]の表面に過去に液体の水があったことを強く示唆しており、これはこれまで考えられていたよりも一般的な現象であることを示唆している。持続可能な液体の水は複雑な生命を支えるために不可欠であると考えられているため、ほとんどの推定は、表面重力により数十億年にわたって十分な大気を保持できるため、軌道の再配置が地球や金星の居住可能性に与える影響から推測されている。
拡張ハビタブルゾーンの概念によれば、十分な放射強制力を誘発できる大気を持つ惑星質量の天体は、太陽からさらに遠くに液体の水を持つ可能性がある。そのような天体には、大気中に高濃度の温室効果ガスを含む天体や、地球よりもはるかに質量が大きく、表面圧力が最大 100 kbar の大気を保持している地球型惑星 (スーパーアースクラス惑星) が含まれる。太陽系内に研究できるそのような天体の例はなく、これらの種類の太陽系外天体の大気の性質については十分にわかっておらず、ハビタブルゾーン内のそれらの位置から、誘導アルベド、反温室効果、またはその他の考えられる熱源を含むそのような大気の正味の温度効果を判断することはできない。
参考までに、ハビタブルゾーンのさまざまな推定内にあるいくつかの主要な天体の太陽からの平均距離は、水星 0.39 AU、金星 0.72 AU、地球 1.00 AU、火星 1.52 AU、ベスタ 2.36 AU、ケレスとパラス 2.77 AU、木星 5.20 AU、土星 9.58 AU です。最も保守的な推定では、地球のみがハビタブルゾーン内にありますが、最も寛容な推定では、近日点の土星や遠日点の水星も含まれる可能性があります。
太陽系外推定
天文学者は恒星のフラックスと逆二乗則を利用して、太陽系用に作成された恒星周ハビタブルゾーンモデルを他の恒星に外挿する。例えば、コッパラプのハビタブルゾーン推定によれば、太陽系には太陽から1.34 AUを中心とする恒星周ハビタブルゾーンがあるが、[4]太陽の0.25倍の明るさを持つ恒星の場合、ハビタブルゾーンは、つまり恒星からの距離の0.5、つまり0.67 AUを中心とする。しかし、恒星自体の個々の特性を含むさまざまな複雑な要因により、HZ概念の太陽系外外挿はより複雑になっている。
スペクトル型と恒星系の特徴
一部の科学者は、恒星周ハビタブルゾーンの概念は、実際には特定のタイプのシステムまたは特定のスペクトル型の恒星に限定されていると主張しています。たとえば、連星系には、3体構成に固有の軌道安定性の懸念に加えて、単一の星の惑星系のものとは異なる恒星周ハビタブルゾーンがあります。[78]太陽系がそのような連星系である場合、結果として生じる恒星周ハビタブルゾーンの外側の限界は2.4 AUまで広がる可能性があります。[79] [80]
スペクトル型に関しては、ゾルタン・バログは、O 型恒星は強い紫外線放射による光蒸発のため、惑星を形成できないと提唱している。 [81]紫外線放射を研究したアンドレア・ブッチーノは、研究対象となった恒星 (太陽を含む) のわずか 40% に、液体の水と紫外線居住可能領域が重なっていることを発見した。[82]一方、太陽より小さい恒星には、居住可能性を阻む明確な障害がある。例えば、マイケル・ハートは、スペクトル型K0以上の主系列恒星のみが居住可能領域を提供できると提唱したが、この考えは現代では赤色矮星の潮汐ロック半径の概念へと発展した。赤色矮星の居住可能領域と一致するこの半径内では、潮汐加熱による火山活動によって、高温で生命が住めない環境の「潮汐金星」惑星が形成される可能性があると示唆されている。[83]
他にも、恒星周縁のハビタブルゾーンはより一般的であり、より低温の恒星を周回する惑星には水が存在する可能性があると主張する者もいる。2013年の気候モデルは、赤色矮星は潮汐ロックにもかかわらず、表面温度が比較的一定した惑星を支えることができるという考えを支持している。 [84]天文学教授のエリック・アゴルは、白色矮星でさえ、惑星の移動によって比較的短期間のハビタブルゾーンを支えることができると主張している。 [85]同時に、褐色矮星の周囲に半安定で一時的なハビタブルゾーンがあることを同様に支持する論文も書いている。[83]また、恒星系の外側部分のハビタブルゾーンは、特にM型矮星の周囲で、恒星進化の主系列前の段階に存在する可能性があり、数十億年のタイムスケールで続く可能性がある。[86]
恒星の進化
恒星周のハビタブルゾーンは、恒星の進化とともに時間とともに変化する。例えば、主系列に留まる期間が1000万年にも満たない高温のO型恒星[87]では、ハビタブルゾーンが急速に変化し、生命の発達には不向きである。一方、主系列で数千億年も生きる赤色矮星には、生命が発達し進化するのに十分な時間がある惑星がある。[88] [89]しかし、恒星が主系列にある間も、そのエネルギー出力は着実に増加し、ハビタブルゾーンはさらに外側に押し出されている。例えば、私たちの太陽は始生代には現在の75%の明るさだった[ 90 ]。そして将来、エネルギー出力の継続的な増加により、地球は赤色巨星段階に達する前であっても、太陽のハビタブルゾーンの外側に追いやられるだろう。[91]この明るさの増加に対処するために、連続ハビタブルゾーンの概念が導入された。名前が示すように、継続的に居住可能な領域は、惑星質量の天体が一定期間液体の水を維持できる恒星の周囲の領域です。一般的な恒星周縁部の居住可能な領域と同様に、恒星の継続的に居住可能な領域は保守的な領域と拡張された領域に分かれています。[91]
赤色矮星系では、数分間で恒星の明るさを2倍にする巨大な恒星フレア[92]や、恒星の表面積の20%を覆う巨大な恒星黒点[93]が、本来は居住可能な惑星から大気と水を奪い去る可能性がある。[94]しかし、より質量の大きい恒星と同様に、恒星の進化によってその性質とエネルギーの流れが変化するため、[95]約12億歳になると、赤色矮星は一般的に生命の発達を可能にするほど十分に安定する。[94] [96]
恒星が十分に進化して赤色巨星になると、その恒星周ハビタブルゾーンは主系列時の大きさから劇的に変化する。[97]例えば、太陽は赤色巨星として以前は居住可能だった地球を飲み込むと予想されている。[98] [99]しかし、赤色巨星が水平枝に到達すると、新たな平衡状態に達し、新たな恒星周ハビタブルゾーンを維持できるようになる。太陽の場合、その範囲は7～22 AUとなる。[100]このような段階では、土星の衛星タイタンは地球の温度の意味で居住可能となる可能性が高い。[101]この新たな平衡状態が約10億年持続すること、そして地球上の生命が太陽系の形成から遅くとも0.70億年までに出現したことを考えると、赤色巨星のハビタブルゾーン内の惑星質量の天体上で生命が発達する可能性があると考えられる。[100]しかし、そのようなヘリウム燃焼星の周りでは、光合成のような重要な生命活動は、大気中に二酸化炭素がある惑星の周りでしか起こり得ない。なぜなら、太陽質量の星が赤色巨星になる頃には、惑星質量の天体はすでに遊離二酸化炭素の多くを吸収しているからである。[102]さらに、ラミレスとカルテネッガー (2016) [99]が示したように、強力な恒星風はそのような小さな惑星の大気を完全に除去し、いずれにしても居住不可能にするだろう。したがって、タイタンは太陽が赤色巨星になった後でも居住可能ではないだろう。[99]とはいえ、生命が検出されるためには、恒星の進化のこの段階で生命が誕生する必要はない。恒星が赤色巨星になり、居住可能領域が外側に広がると、氷の表面が溶けて一時的な大気が形成され、赤色巨星段階の開始前に繁栄していた可能性のある生命の兆候を探すことができる。[99]
砂漠の惑星
惑星の大気の状態は熱を保持する能力に影響を与えるため、居住可能領域の位置も惑星の種類ごとに異なります。砂漠惑星（乾燥惑星とも呼ばれる）は水がほとんどないため、大気中の水蒸気が地球よりも少なく、温室効果も小さくなります。つまり、砂漠惑星は、地球と太陽の距離よりも恒星の近くに水のオアシスを維持できるということです。水が少ないということは、宇宙に熱を反射する氷が少ないということでもあり、砂漠惑星の居住可能領域の外縁はさらに外側にあります。[103] [104]
その他の考慮事項
恒星系内に水源がなければ、惑星は水圏（炭素系生命の形成に重要な要素）を持つことはできない。地球上の水の起源はまだ完全には解明されていないが、考えられる原因としては、氷天体との衝突、ガス放出、鉱化、岩石圏からの含水鉱物の漏出、光分解などが挙げられる。[105] [106]太陽系外惑星の場合、凍結線を超えた氷天体が恒星のハビタブルゾーンに移動して、数百キロメートルの深さの海を持つ海洋惑星を形成する可能性がある[107]。GJ 1214 b [108] [109]やケプラー22bがそうである可能性がある。[110]
液体の表面水を維持するには、十分に厚い大気も必要である。地球の大気の起源としては現在、ガス放出、衝突によるガス放出、ガス取り込みが理論化されている。[111]大気は、生物地球化学的循環や大気逃避の緩和とともに、同様のプロセスを通じて維持されていると考えられている。[112]イタリアの天文学者ジョヴァンニ・ウラジロが率いる2013年の研究では、大気圧の上昇とともに恒星周居住可能領域の大きさが拡大することが示された。 [ 74]大気圧が約15ミリバール以下では、圧力や温度のわずかな変化でも水が液体として形成できなくなるため、居住性を維持できないことが判明した。 [ 74 ]
ハビタブルゾーンの従来の定義では、二酸化炭素と水蒸気が（地球上でそうであるように）最も重要な温室効果ガスであると想定されているが、[29]、ラムセス・ラミレスと共著者のリサ・カルテネッガーが率いる研究[ 49]では、二酸化炭素と水蒸気に加えて火山からの水素の膨大なガス放出も考慮に入れると、ハビタブルゾーンのサイズが大幅に拡大することが示されている。その場合、太陽系の外縁は2.4 AUまで広がる。他の恒星系についても、ハビタブルゾーンのサイズが同様に拡大すると計算されている。レイ・ピエールハンバートとエリック・ガイドスによる以前の研究[48]では、若い惑星は原始惑星系円盤から数十から数百バールの水素を集積し、太陽系の外縁を10 AUまで広げるのに十分な温室効果をもたらすと主張して、CO 2 -H 2 Oの概念を完全に排除していた。しかし、この場合、水素は火山活動によって継続的に補充されるわけではなく、数百万年から数千万年のうちに失われます。
赤色矮星のHZを周回する惑星の場合、恒星との距離が極めて近いため、居住可能性の重要な要因である潮汐ロックが発生する。潮汐ロックされた惑星では、恒星日が公転周期と同じ長さになるため、一方の側は恒星に常に面し、もう一方の側は背を向く。かつては、このような潮汐ロックにより恒星に面した側は極度の暑さになり、反対側は極寒になり、多くの赤色矮星惑星が居住不可能になると考えられていた。しかし、2013年の3次元気候モデルでは、赤色矮星の恒星に面した側は雲が多く、結合アルベドが増加し、両側の温度差が大幅に減少することが示された。[84]
惑星質量の天然衛星も居住可能となる可能性がある。しかし、これらの天体は追加のパラメータ、特にそのホスト惑星の周惑星居住可能領域内に位置することを満たす必要がある。[37]より具体的には、衛星はホスト巨大惑星から十分離れている必要があり、潮汐加熱によってイオのような火山世界に変化しない必要があるが、[37]ホスト惑星の軌道から引き離されないように、惑星のヒル半径内に留まらなければならない。 [114]太陽の20%未満の質量を持つ赤色矮星は、巨大惑星の周りに居住可能な衛星を持つことができない。周惑星居住可能領域が小さいため、居住可能な衛星が恒星に近づきすぎてホスト惑星から引き離されてしまうためである。このようなシステムでは、軌道を維持できるほどホスト惑星に近い衛星は、潮汐加熱が非常に強く、居住可能性の可能性がなくなる。[37]
軌道離心率の高い恒星を周回する惑星は、一年のうちの一部しか HZ に留まらず、気温や気圧の大きな変動を経験する可能性がある。その結果、劇的な季節的位相シフトが発生し、液体の水が断続的にしか存在しない可能性がある。地下の生息地がそのような変化から隔離され、地表または地表近くの極限環境生物が冬眠 (隠蔽生命) や超耐熱性などの適応によって生き延びる可能性がある。例えばクマムシは、脱水状態で 0.150 K (-273 °C) [115]から 424 K (151 °C) の温度で生き延びることができる。[116] HZ の外側を周回する惑星上の生命は、惑星が最も冷たいアパストロンに近づくにつれて寒い側で冬眠し、惑星が十分に暖かくなった近点に近づくと活動的になる可能性がある。 [117]
太陽系外の発見
2015年のレビューでは、太陽系外惑星 ケプラー62f、ケプラー186f、ケプラー442bが、潜在的に居住可能な候補として最も有力であると結論付けられました。[118]これらは、それぞれ990、490、1,120光年の距離にあります。これらのうち、ケプラー186fは地球の1.2倍の半径で地球に最も近く、赤色矮星の周りの居住可能領域の外側の端に位置しています。最も近い地球型太陽系外惑星候補の中で、タウ・クジラeは11.9光年離れています。惑星系の居住可能領域の内側の端にあり、平均表面温度は68°C（154°F）と推定されています。[119]
恒星周ハビタブルゾーン内の地球型惑星の数を推定する研究は、科学データの入手可能性を反映する傾向がある。ラヴィ・クマール・コッパラプによる2013年の研究では、HZ内に惑星を持つ恒星の割合ηeが0.48とされており、 [4]これは天の川銀河にはおよそ950億から1800億の居住可能な惑星がある可能性があることを意味する。[120]しかし、これは単なる統計的な予測であり、これらの可能性のある惑星のほんの一部しかまだ発見されていない。[121]
これまでの研究はより保守的だった。2011年、セス・ボレンスタインは天の川銀河にはおよそ5億個の居住可能な惑星があると結論付けた。[122] NASAのジェット推進研究所による2011年の研究では、ケプラー計画の観測に基づいて、その数はいくらか増加し、スペクトルクラスF、G、Kのすべての恒星の約「1.4〜2.7％」がHZ内に惑星を持つと予想されると推定した。[123] [124]
初期の調査結果
HZ における太陽系外惑星の最初の発見は、最初の太陽系外惑星が発見されてからわずか数年後に起こった。しかし、これらの初期の発見はすべてガス巨星サイズであり、多くは偏心軌道にあった。それにもかかわらず、研究ではこれらの惑星の周りに液体の水を支える地球のような大きな衛星が存在する可能性があることが示されている。[125] 最初の発見の 1 つは70 Virginis bで、当初は「暑すぎず」でも「寒すぎず」であることから「ゴルディロックス」というニックネームが付けられたガス巨星であった。その後の研究では、金星と同程度の温度であることが明らかになり、液体の水が存在する可能性は排除された。[126] 1996 年に発見された 16 Cygni Bb は、極端に偏心した軌道を持ち、HZ に滞在する時間はごくわずかであるため、このような軌道は極端な季節的影響を引き起こす。それにもかかわらず、シミュレーションでは、十分に大きな伴星であれば、年間を通じて地表水を支えることができることが示唆されている。[127]
1998年に発見されたグリーゼ876 bと2001年に発見されたグリーゼ876 cは、どちらもグリーゼ876の周囲のハビタブルゾーンで発見されたガス巨星で、大きな衛星を持っている可能性があります。[128]もう1つのガス巨星であるアンドロメダ座ウプシロンdは、1999年にアンドロメダ座ウプシロンのハビタブルゾーンを周回していることが発見されました。
2001年4月4日に発表されたHD 28185 bは、恒星の周囲ハビタブルゾーン[129]内を完全に周回するガス巨星であり、太陽系の火星に匹敵する低い軌道離心率を持っています。[130]潮汐相互作用から、数十億年にわたってその周りを周回する地球質量の居住可能な衛星を抱えている可能性があることが示唆されていますが、[131]そのような衛星がそもそも形成されるかどうかは不明です。[132]
地球の17倍の質量を持つガス巨星HD 69830 dは、2006年に地球から41光年離れたHD 69830の恒星周回ハビタブルゾーン内を周回しているのが発見されました。 [133]翌年、55 Cancri fがその主星55 Cancri AのHZ内で発見されました。[134] [135]十分な質量と組成を持つ仮想的な衛星は、その表面に液体の水を保持できると考えられています。[136]
理論上は、このような巨大惑星には衛星が存在する可能性があるものの、その周囲の衛星を検出する技術は存在せず、太陽系外衛星は発見されていませんでした。そのため、固体表面が存在する可能性のある領域内の惑星には、より大きな関心が寄せられていました。
居住可能なスーパーアース
2007年にグリーゼ581cが発見され、この惑星系は科学界から大きな関心を集めたが、後にこの惑星は金星に似た極端な表面条件を持つことが判明した。[137]同じ系にある別の惑星で、より居住可能性の高い候補と考えられていたグリーゼ581 dも2007年に発表された。その存在は2014年に否定されたが、それは短期間のことだった。2015年現在、この惑星には新たな否定はない。この系の恒星周ハビタブルゾーンで発見されたと考えられている別の惑星、グリーゼ581 gは、グリーゼ581 cとdの両方よりも居住性が高いと考えられていた。しかし、その存在も2014年に否定され、[138]天文学者の意見は分かれている。
2011年8月に発見されたHD 85512 bは当初は居住可能であると推測されていたが[139]、 2013年にコッパラプらが考案した新しい恒星周ハビタブルゾーンの基準では、この惑星は恒星周ハビタブルゾーンの外側に位置するとされている[121] 。
ケプラー宇宙探査機によって2011年12月に発見されたケプラー22 b [140]は、太陽のような恒星の周りを周回する最初の太陽系外惑星である。半径が地球の2.4倍であるケプラー22bは、海洋惑星であると予測されている。[141]グリーゼ667 Ccは、2011年に発見され2012年に発表された[142] 、グリーゼ667 Cの恒星周回ハビタブルゾーンを周回するスーパーアースである。これは、知られている惑星の中で最も地球に似ているものの一つである。
2012年9月に赤色矮星グリーゼ163 [143]の周りを公転しているのが発見されたグリーゼ163 c は、地球から49光年離れたところにあります。この惑星は地球の6.9倍の質量と1.8～2.4倍の半径を持ち、近い軌道で地球よりも40パーセントも多く恒星からの放射を受け、表面温度は約60° Cに達します。[144] [145] [146] 2012年11月に暫定的に発見された候補惑星HD 40307 gは、 HD 40307の恒星周ハビタブルゾーン内にあります。[147] 2012年12月、タウ・クジラeとタウ・クジラfが、12光年離れた太陽のような恒星タウ・クジラの恒星周ハビタブルゾーン内で発見されました。 [148]地球よりも質量は大きいが、これまでに発見されたハビタブルゾーンを周回する惑星の中で最も質量の小さい惑星の一つである。[149]しかし、タウ・ケティfはHD 85512 bと同様に、2013年のコッパラプ研究で確立された新しい恒星周回ハビタブルゾーンの基準に適合しなかった。[150]現在では居住不可能とみなされている。
地球に近いサイズの惑星と太陽類似体
最近の発見により、地球と大きさや質量が似ていると考えられる惑星が発見されている。地球サイズの範囲は通常、質量によって定義される。スーパーアースクラスの多くの定義で使用される下限は、地球の1.9倍である。同様に、サブアースは金星のサイズ（約0.815倍）までである。1.5倍以上の地球半径では、 平均惑星密度が半径の増加とともに急速に減少することから、1.5倍の地球半径という上限も考慮されている。これは、これらの惑星が岩石核の上に体積でかなりの割合の揮発性物質を持っていることを示している。[151]真に地球のような惑星、つまり地球類似体または「地球の双子」は、大きさと質量以外にも多くの条件を満たす必要があるが、そのような特性は現在の技術では観測できない。
太陽類似体（または「太陽の双子」）は、太陽に似た星です。太陽と完全に一致する太陽の双子は発見されていません。しかし、いくつかの星は太陽とほぼ同一であり、太陽の双子と見なされています。太陽の双子と完全に一致するのは、温度が 5,778 K、年齢が 46 億年、適切な金属量、太陽の光度変動が0.1%の G2V 星です。[152]年齢が 46 億年の星は最も安定した状態です。適切な金属量とサイズも、光度変動を低くするために重要です。[153] [154] [155]
NASAのケプラー宇宙望遠鏡とWMケック天文台が収集したデータを使用して、科学者は天の川銀河の太陽型の恒星の22％に、その居住可能領域内に地球サイズの惑星があると推定しました。[156]
2013年1月7日、ケプラーチームの天文学者たちは、太陽に似た恒星であるケプラー69のハビタブルゾーンを周回する地球サイズの太陽系外惑星候補（地球の半径の1.7倍）であるケプラー69c （旧称KOI -172.02 ）を発見したと発表した。この惑星は居住可能な条件を備えていると予想される。 [157] [158] [159] [160]ケプラーチームによるケプラー62のハビタブルゾーンを周回する2つの惑星の発見は、2013年4月19日に発表された。ケプラー62eとケプラー62fと名付けられたこの惑星は、それぞれ地球の半径の1.6倍と1.4倍の大きさの固体惑星である可能性が高い。[159] [160] [161]
2014年4月に発見が発表されたケプラー186fは、半径が地球の1.1倍と推定され、トランジット法で確認された太陽系外惑星の中ではこれまでで地球に最も近い大きさであるが[162] [163] [164]、質量は不明であり、親星は太陽類似体ではない。
2014年6月に発見されたカプテインbは、質量が地球の約4.8倍、半径が地球の約1.5倍の岩石惑星である可能性があり、12.8光年離れた赤色矮星カプテイン星のハビタブルゾーンを周回していることが判明した。 [165]
2015年1月6日、NASAはケプラー宇宙望遠鏡によって1000番目に確認された太陽系外惑星を発表した。新たに確認された太陽系外惑星のうち3つは、関連する恒星の居住可能領域内を周回していることが判明した。3つのうち2つ、ケプラー438bとケプラー442bは地球に近く、おそらく岩石質で、3つめのケプラー440bはスーパーアースである。[166]しかし、ケプラー438bは強力なフレアの対象となることが判明したため、現在では居住不可能であると考えられている。1月16日、半径1.5倍の惑星K2-3dがK2-3の居住可能領域内を周回しているのが発見され、地球の1.4倍の可視光線を受け取っている。[167]
2015年7月23日に発表されたケプラー452bは地球より50%大きく、おそらく岩石でできており、 G型（太陽類似）の恒星ケプラー452の居住可能領域を周回するのに地球の約385日かかります。[168] [169]
2016年5月、超低温矮星TRAPPIST-1のハビタブルゾーンを周回する、潮汐固定された3つの惑星系の発見が発表されました。 [170]この発見は、より小さく、より低温で、より多く、より近い恒星に居住可能な惑星が存在する可能性を劇的に高めたため、重要なものと考えられています。
2016年7月にK2ミッションによって発見された、太陽から約227光年離れたM型矮星K2-72の周りを周回する2つの居住可能な惑星： K2-72cとK2-72eはどちらも地球とほぼ同じ大きさで、同量の恒星放射線を受けています。[171]
2017年4月20日に発表されたLHS 1140bは、地球から39光年離れた超高密度のスーパーアースで、質量は地球の6.6倍、半径は1.4倍、恒星の質量は太陽の15%ですが、ほとんどのM型矮星よりも観測可能な恒星フレア活動ははるかに少ないです。 [172]この惑星は、通過速度と視線速度の両方で観測可能な数少ない惑星の1つであり、質量が確認されており、大気を研究することができます。
2017年6月に視線速度法によって発見されたルイテンbは、地球の約3倍の質量を持ち、わずか12.2光年離れたルイテン星の居住可能領域内を周回している。 [173]
11光年離れた、2番目に近い惑星ロス128bは、比較的「静かな」赤色矮星ロス128の10年にわたる視線速度研究の結果、2017年11月に発表されました。質量は地球の1.35倍で、ほぼ地球と同じくらいの大きさで、組成は岩石である可能性があります。[174]
2018年3月に発見されたK2-155dは、地球の半径の約1.64倍で、岩石質である可能性が高く、203光年離れた赤色矮星のハビタブルゾーンを周回しています。 [175] [176] [177]
2019年7月31日に発表されたトランジット系外惑星サーベイ衛星（TESS）による最も初期の発見の一つは、 31光年離れた赤色矮星の外縁を周回するスーパーアース惑星GJ 357 dである。 [178]
K2-18bは、124光年離れた太陽系外惑星で、赤色矮星K2-18のハビタブルゾーンを周回しています。この惑星は、大気中に水蒸気が存在することで有名であり、これは2019年9月17日に発表されました。
2020年9月、天文学者たちは、天体物理学的パラメータと地球上の既知の生命体の自然史に基づいて、現在確認されている4000個以上の太陽系外惑星の中から、24個の超居住可能惑星（地球よりも居住しやすい惑星）候補を特定した。[179]
HZ 外での居住可能性
液体の水の環境は、大気圧がない場合や、HZ温度範囲外の温度でも存在することがわかっています。たとえば、土星の衛星タイタンとエンケラドゥス、木星の衛星エウロパとガニメデはいずれもハビタブルゾーン外にあり、地下の海に大量の液体の水が存在する可能性があります。[180]
HZの外では、潮汐加熱と放射性崩壊が液体の水の存在に寄与する可能性のある2つの熱源です。[16] [17] AbbotとSwitzer（2011）は、放射性崩壊による加熱と厚い表面の氷層による断熱の結果として、放浪惑星に地下水が存在する可能性があると提唱しました。[19]
地球上の生命は実際には安定した地下の生息地で生まれた可能性があるという理論もあり、[181] [182]このような湿った地下の地球外生息地が「生命で溢れている」ことは一般的である可能性があると示唆されています。[183] 地球自体では、地表から6km（3.7マイル）以上下に生物が見つかることがあります。[184]
もう一つの可能性は、HZ外の生物が水を全く必要としない代替の生化学反応を使用するかもしれないということである。宇宙生物学者のクリストファー・マッケイは、メタン（CH
4）は「極低温生命」の発達を促す溶媒である可能性があり、太陽の「メタン居住可能領域」は 恒星から1,610,000,000 km（1.0 × 10 9 mi; 11 AU）を中心としている。 [22]この距離はタイタンの位置と一致しており、メタンの湖と雨があるため、マッケイが提案する極低温生命を見つけるのに理想的な場所となっている。[22]さらに、いくつかの生物の検査により、一部の生物はHZ外の条件でも生存できることが判明している。[185]
複雑で知的な生命にとっての重要性
レアアース仮説は、複雑で知的生命はまれであり、HZ は多くの重要な要素の 1 つであると主張しています。Ward と Brownlee (2004) らによると、HZ 軌道と地表水は生命を維持するための主要な要件であるだけでなく、多細胞生物が出現して進化するために必要な二次条件をサポートするための要件でもあります。二次的な居住可能性要因は、地質学的要因 (必要なプレート テクトニクスを維持する上での地表水の役割) [35]と生化学的要因 (必要な大気酸素化のための光合成をサポートする放射エネルギーの役割) の両方です。[186]しかし、イアン スチュワートとジャック コーエンなどの他の研究者は、2002 年の著書「エイリアンの進化」で、複雑な知的生命は HZ の外で発生する可能性があると主張しています。[187] HZ の外で知的生命は、地下環境で、代替の生化学[187]または核反応から進化した可能性があります。 [188]
地球上では、保守的な居住可能領域外の環境でも生存可能な可能性のある複雑な多細胞生命体（または真核生物）がいくつか特定されている。地熱エネルギーは古代の迂回生態系を支え、 Riftia pachyptilaなどの大型で複雑な生命体を支えている。[189]同様の環境は、居住可能領域外のエウロパやエンケラドゥスなどの固体地殻の下の加圧された海でも見つかる可能性がある。[190] 真核生物を含む数多くの微生物が、模擬環境や低地球軌道でテストされている。動物の例としては、水の沸点をはるかに超える極端な温度や宇宙空間の冷たい真空に耐えることができるミルネシウム・クマムシがあげられる。 [191]さらに、地衣類のRhizocarpon geographicumとXanthoria elegansは、大気圧が表面の液体の水には低すぎる環境で生き残ることができ、放射エネルギーもほとんどの植物が光合成するために必要な量よりもはるかに低い環境で生き残ることができることがわかっています。[192] [193] [194]菌類のCryomyces antarcticusとCryomyces minteriも火星のような環境で生き残り、繁殖することができます。[194]
動物の認知能力を持つことが知られている種（人間を含む）は、大量のエネルギーを必要とし、[195]大気中の酸素の豊富さや放射エネルギーから合成される大量の化学エネルギーの利用可能性など、特定の条件に適応してきました。人類が他の惑星に移住する場合、HZ 内の真の地球類似物が最も近い自然の生息地を提供する可能性が最も高く、この概念はスティーブン H. ドールの 1964 年の研究の基礎となりました。適切な温度、重力、大気圧、水の存在により、表面に宇宙服や宇宙居住類似物の必要性がなくなり、複雑な地球生命が繁栄できる可能性があります。 [2]
HZ 内の惑星は、宇宙の他の場所で知的生命を探している研究者にとって依然として最大の関心事である。[196]銀河系内の知的文明の数を推定するために時々使用されるドレイクの方程式には、各恒星の HZ 内を周回する惑星質量の物体の平均数である係数またはパラメーターn eが含まれる。値が低いと、宇宙で知的生命はまれであるとするレア・アース仮説が支持されるのに対し、値が高いと、居住可能性、つまり生命は宇宙全体で一般的であるという見解であるコペルニクスの平凡 原理の証拠となる。 [35] 1971年のNASAの報告書では、ドレイクとバーナード・オリバーが、水の水素と水酸基の吸収線スペクトルに基づいて「ウォーターホール」を地球外知的生命体との交信に適した明白な帯域として提案した[197] [198]。以来、この提案は地球外知的生命体の探索に携わる天文学者によって広く採用されている。ジル・ターター、マーガレット・ターンブル、その他多くの人々によると、HZ候補はウォーターホールの探索を絞り込むための優先ターゲットであり[199] [200]、アレン・テレスコープ・アレイは現在、プロジェクト・フェニックスをそのような候補にまで拡大している。[201]
HZは知的生命体の生息地として最も可能性が高いと考えられているため、METIの取り組みはそこに惑星が存在する可能性のあるシステムにも焦点を当ててきました。たとえば、 2001年のティーンエイジメッセージと2003年のコズミックコール2は、木星質量の惑星が3つ存在し、HZに地球型惑星が存在する可能性があることが知られている47 Ursae Majorisシステムに送信されました。 [202] [203] [204] [205]ティーンエイジメッセージは、HZにガス巨星がある55 Cancriシステムにも向けられました。[134] 2008年の「地球からのメッセージ」[206]と2009年の「ハローフロムアース」は、HZに3つの惑星、グリーゼ581 c、d、および未確認のgを含むグリーゼ581システムに送信されました。
参照
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外部リンク
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