天然衛星の居住可能性

天然衛星の居住可能性とは、衛星が生命の生息地を提供できる可能性のことであるが、それが生命を宿していることを示すものではない。天然衛星の数は惑星の数を大幅に上回ると予想されており、そのため、その居住可能性の研究は宇宙生物学や地球外生命の探索にとって重要である。しかし、衛星に特有の重要な環境変数が存在する。

表面居住地のパラメータは、恒星の特性、軌道、惑星の質量、大気、地質など、地球のような惑星のパラメータと同等になると予測されている。太陽系の居住可能領域にある天然衛星（月、火星の衛星2つ（ただし、その外側にあるとする推定もある）^[1]、および多数の小惑星の衛星）はすべて、表面に水が存在する条件を満たしていない。地球とは異なり、太陽系のすべての惑星質量の衛星は潮汐固定されており、これと潮汐力が居住可能性にどの程度影響するかはまだわかっていない。

研究によると、地球のような深部生物圏が存在する可能性が示唆されています。^[2]そのため、現在最も有力な候補は木星と土星の氷衛星^[3]、それぞれエウロパ^[4]とエンケラドゥス^[5]で、地下に液体の水が存在すると考えられています。月の表面は私たちが知っている生命にとって過酷ですが、月の深部生物圏（または同様の天体）が存在する可能性はまだ否定できません。^{[6] [7]}確認には深部探査が必要になります。

系外衛星の存在はまだ確認されておらず、その検出は通過タイミングの変化に限られている可能性があり、現時点では感度が十分ではない。[ ^8]通過の研究を通じて、それらの属性のいくつかが判明する可能性がある。 ^[9]それにもかかわらず、一部の科学者は、居住可能な系外衛星の数は居住可能な系外惑星の数と同じであると推定している。^{[10 ] [11]}一般的な惑星と衛星の質量比が10,000であることを考えると、ハビタブルゾーンにあるガス巨星が地球のような衛星を宿す最良の候補であると考えられている。^[12]

潮汐力は恒星からの放射と同じくらい熱を供給する上で重要な役割を果たしていると考えられる。^{[13] [14]}

自然衛星の居住可能性の条件は惑星の居住可能性の条件と似ています。しかし、自然衛星の居住可能性を差別化し、さらに惑星の居住可能領域外にまで居住可能性を広げる要因がいくつかあります。^[15]

ほとんどの宇宙生物学者は、液体の水は地球外生命にとって不可欠な条件であると考えています。太陽系の木星、土星、天王星、海王星のガス惑星 を周回するいくつかの衛星の地下に液体の水が存在するという証拠が増えています。しかし、これらの地下水域はどれも現在まで確認されていません。

安定した軌道を描くには、主星の周りの衛星の公転周期 P _{s と}主星の周りの衛星の公転周期P _pの比が1 ⁄ 9未満でなければなりません。たとえば、惑星が主星の周りを90日かけて公転する場合、その惑星の衛星の最大安定軌道は10日未満です。^{[16] [17]}シミュレーションによると、公転周期が約45〜60日未満の衛星は、太陽のような恒星から1 AUのところを公転する巨大な巨大惑星または褐色矮星に安全に束縛されたままになることが示唆されています。 ^[18]

大気は、生命誕生前の化学反応の発達、生命の維持、地表水の存在に重要であると宇宙生物学者は考えている。太陽系のほとんどの天然衛星には目立った大気がなく、唯一の例外は土星の衛星タイタンである。^[19]

スパッタリングは、エネルギー粒子がターゲットに衝突することで固体ターゲット材料から原子が放出されるプロセスであり、天然衛星にとって重大な問題です。太陽系のすべてのガス巨星、およびおそらく他の恒星を周回するガス巨星は、わずか数億年で地球のような衛星の大気を完全に侵食するのに十分な放射線帯を備えた磁気圏を持っています。強力な恒星風は、大気の上部からガス原子を剥ぎ取り、宇宙に失わせることもあります。

地球のような大気を約46億年（地球の現在の年齢）維持するには、火星のような密度の衛星には少なくとも地球の質量の7％が必要であると推定されています。^{[20]スパッタリングによる損失を減らす1つの方法は、月が}恒星風と放射線帯を逸らすことができる独自の強力な磁場を持つことです。NASAのガリレオの測定では、大きな衛星は磁場を持つことができることが示唆されています。ガニメデは質量が地球のわずか2.5％であるにもかかわらず、独自の磁気圏を持っていることがわかりました。 ^[18]あるいは、一部の科学者がタイタンの場合に当てはまると考えているように、月の大気は地下の源からのガスによって絶えず補充されている可能性があります。^[21]

潮汐加速が惑星に与える影響は比較的小さいですが、天然衛星にとっては重要なエネルギー源となり、生命を維持するための代替エネルギー源となる可能性があります。

ガス巨星や褐色矮星を周回する衛星は、主衛星に潮汐固定されている可能性が高い。つまり、その日の長さは軌道と同じである。潮汐固定は恒星の放射分布を妨害することで居住可能領域内の惑星に悪影響を及ぼす可能性があるが、潮汐加熱を可能にすることで衛星の居住可能性に有利に働く可能性がある。NASAエイムズ研究センターの科学者は、赤色矮星の居住可能領域にある潮汐固定太陽系外惑星の温度をモデル化した。彼らは、二酸化炭素（CO
₂) の圧力がわずか 1～1.5 標準気圧 (15～22 psi) であれば、居住可能な温度になるだけでなく、衛星の暗黒面に液体の水が存在することも可能です。潮汐力でガス惑星に固定された衛星の温度範囲は、恒星に固定された惑星の温度範囲よりも極端ではない可能性があります。この件についての研究は行われていませんが、適度な量のCO
₂居住可能な温度になると考えられている。^[18]

潮汐効果により、衛星はプレートテクトニクスを維持し、火山活動によって月の温度を調節し^{[22] [23]}、地球ダイナモ効果を生み出して衛星に強い磁場を与える可能性があります。^[24]

月と他の衛星の重力相互作用を無視できるとすれば、月は惑星と潮汐ロックされる傾向がある。上記の自転ロックに加えて、「傾き浸食」と呼ばれるプロセスもある。これはもともと、惑星の軌道が主星の周りを公転するのに対して惑星の傾斜角が潮汐浸食されることを指す造語である。^[25]月の最終的な自転状態は、惑星の周りの公転周期に等しい自転周期と、軌道面に対して垂直な自転軸で構成される。

もし月の質量が惑星に比べてそれほど低くなければ、月は惑星の軸の傾き、つまり恒星の周りの軌道に対する惑星の傾斜を安定させる可能性がある。地球では、月は地球の軸の傾きを安定させる上で重要な役割を果たしており、それによって他の惑星からの重力摂動の影響を軽減し、惑星全体の気候の変化を穏やかにしている。^{[26]しかし、}比較的質量の小さい衛星フォボスとダイモスからの大きな潮汐力の影響を受けない火星では、軸の傾きは500万年から1000万年のタイムスケールで13°から40°まで極端に変化する可能性がある。^{[27] [28]}

巨大惑星または亜褐色矮星に潮汐固定されている場合、月が同サイズの惑星で、恒星の居住可能領域内で固定自転している場合よりも、月の気候はより穏やかになる可能性がある。^{[29]これは特に}赤色矮星系に当てはまり、比較的高い重力と低い光度により、潮汐固定が発生する領域で居住可能領域が離れる。潮汐固定されている場合、軸の周りの1回転に惑星に比べて長い時間がかかる可能性がある（たとえば、地球の月のわずかな軸の傾きと地形による影を無視すると、月上の任意のポイントでは、地球時間で2週間の日光と2週間の夜がある）が、これらの長い明暗の期間は、恒星に潮汐固定されている惑星の永遠の昼と永遠の夜ほど居住可能性にとって困難ではない。

2012年、科学者たちは衛星の居住可能な軌道を定義する概念を導入した。^{[30]この概念は、恒星を周回する惑星の恒星}周回ハビタブルゾーンに似ているが、惑星を周回する衛星に関するものである。この内側の境界は、彼らが周惑星居住可能端と呼んでいるもので、衛星が惑星の周りで居住可能な領域を区切るものである。居住可能端よりも惑星に近い衛星は居住不可能である。

系外衛星の磁気環境は、主惑星の固有磁場によって決定的に引き起こされ、系外衛星の居住可能性のもう一つの要因として特定されている。^[31]最も注目すべきは、巨大惑星から約5～20惑星半径の距離にある衛星は、照明と潮汐加熱の観点から居住可能であることがわかったが、^[31]それでも、惑星の磁気圏は居住可能性に決定的な影響を与えるだろうということである。^[31]

赤色矮星の周囲のハビタブルゾーンにある地球サイズの太陽系外惑星は、多くの場合、主星に潮汐固定されています。これにより、一方の半球は常に主星を向き、もう一方の半球は暗闇のままになります。太陽系外惑星と同様に、太陽系外衛星は主星に潮汐固定される可能性があります。ただし、太陽系外衛星の主星は太陽系外惑星であるため、潮汐固定された後も主星に対して回転し続け、そのため昼夜サイクルを無期限に経験することになります。

科学者たちは潮汐加熱が系外衛星の居住可能性に対する脅威であると考えている。 ^[32]

以下は、太陽系内で居住可能な環境が存在する可能性のある天然衛星と環境のリストです。

様々な太陽系外天文学チームによって、少数の系外衛星候補のリストがまとめられているが、いずれも確認されていない。一般的な惑星と衛星の質量比が10,000であることを考えると、居住可能領域内にある土星または木星サイズの大型ガス惑星が、地球のような衛星を持つ最良の候補であると考えられており、2018年までにそのような惑星が120個以上存在することになる。^[12]居住可能領域内にあることが知られている大規模な太陽系外惑星（グリーゼ876 b、55かに座f、アンドロメダ座ウプシロンd、47おおぐま座b、HD 28185 b、HD 37124 cなど）は、表面に液体の水を持つ天然衛星を持つ可能性があるため、特に興味深い。

太陽系外衛星の居住可能性は、衛星に対する恒星や惑星の照明、および月食が衛星の軌道平均表面照明に与える影響に依存する。^[50]さらに、潮汐加熱が衛星の居住可能性に影響を与える可能性がある。2012年、科学者は衛星の居住可能な軌道を定義する概念を導入した。^[50]彼らは、特定の惑星の周りの居住可能な衛星の内側の境界を定義し、それを周惑星「居住可能端」と呼んでいる。居住可能端よりも惑星に近い衛星は居住不可能である。月食の影響と衛星の軌道安定性による制約を使用して、仮想衛星の暴走温室限界をモデル化すると、衛星の軌道離心率に応じて、恒星の居住可能領域内で恒星が居住可能な衛星をホストするには、最低でも太陽質量の約0.20倍の質量が必要であると推定される。^[17]太陽系外衛星の磁気環境は、主惑星の固有磁場によって決定的に引き起こされ、太陽系外衛星の居住可能性のもう一つの要因として特定されている。^[31]最も注目すべきは、巨大惑星から約5～20惑星半径の距離にある衛星は、照明と潮汐加熱の観点から居住可能であることがわかったが、^[31]惑星の磁気圏は依然としてその居住可能性に決定的な影響を与えるであろうということである。^[31]

生命を宿す自然衛星は、（SF の）著作、映画、テレビ番組、ビデオゲーム、その他の人気メディアではよく見られます。

• 事実上の衛星、架空の人生
  • 「カウボーイビバップ」（1998年）のエウロパ、カリスト、ガニメデ、イオ、タイタン
  • 『月世界旅行』（ 1903年）や他の多くの映画に登場する月
  • ヨーロッパレポート（2013年）とウォッチメン（2019年）に登場するヨーロッパ
  • マーベルコミックのタイタン
• 架空の衛星
  • スタートレックシリーズのアンドリア
  • スターウォーズ（1977）のヤヴィン4
  • ジェダイの帰還（1983）のエンドア
  • エイリアン（1979年）とエイリアン2（1986年）に登場するLV-426
  • プロメテウス（2012年）とプレデターズ（2010年）のLV-223
  • アバターシリーズのパンドラ^[51]
  • ミッドナイト・スカイ（2020）のK23
  • ビデオゲーム「Kerbal Space Program」とその続編に登場するLaythe
  • キグヤールの故郷であるイーンは、Haloの伝承では太陽系から 41 光年離れたY'Deioシステムの 3 番目の惑星であるチューオットを周回しています。
  • アンガラの故郷であるハルヴァルは、『マスエフェクト: アンドロメダ』のガス巨星ファロアンの周りを周回しており、彼らの故郷の星系の名前の由来にもなっています。

• 地球アナログ
• 他の天体の居住可能性
  • K型主系列星系
  • 中性子星系
  • 赤色矮星系
  • 黄色矮星系
• ケプラー 1625b I、太陽系外惑星ケプラー 1625bの可能性のある太陽系外衛星
• 月面居住、地球上で進化した生命が月へ移住してそこで暮らすという仮説上の出来事を指す。