21 世紀に入るころ、銀河発見の新時代が始まりました。
天文学者たちは地上と宇宙の最新の望遠鏡を通じて、太陽系外の惑星の豊富さ、系外惑星と呼ばれます。私たちの天の川銀河において、科学者たちは次のことを確認しました。4,480 以上の系外惑星、さらに何千人もの候補者がいます。おそらく岩だらけの世界もあるでしょう。多くは「スーパーアース」と呼ばれる惑星のクラスに属しています。私たちのさわやかな青い世界の 2 倍から 10 倍の大きさ。印象的な木星のような巨大ガス惑星もあります。
をはるかに超える可能性があります1兆個の系外惑星私たちの銀河系だけで。しかし、私たちは彼らについてほとんど何も知りません。
「私たちはかろうじて表面をなぞるだけしかできていません」と宇宙望遠鏡科学研究所の系外惑星研究者ネストル・エスピノーザ氏は説明する。最近打ち上げられたジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡、または JWST。
「私たちはかろうじて表面をなぞるだけしかできていません。」
待望の望遠鏡は、宇宙の最も深い領域のいくつかの前例のない画像を撮影する、最も初期の銀河が形成された場所。しかし、この強力な宇宙機器はまた、ここ天の川の系外惑星の観察にかなりの時間を費やすことになるだろう――初年度の4分の1丸々、そしておそらくその後はさらに多くの時間を費やすことになるだろう。
JWST分光計と呼ばれる特殊な機器を搭載、それはこれらの遠い世界に対する私たちの理解に革命をもたらすでしょう。私たちは、何兆マイルも離れたこれらの惑星の大気中に、(私たちが知っているように)生命の繁栄を可能にする物質、つまり水、二酸化炭素、メタンなどの必須成分が含まれているかどうかを発見するでしょう。この機器は驚くべき系外惑星の写真を提供するとは期待されていないが、私たちがまだ想像することしかできない世界についての豊富な情報を送り返してくれるだろう。
恒星の周りを周回する超地球ケプラー 186f の芸術家による概念図。 クレジット: NASA Ames / SETI Institute / JPL-Caltech
見えないものを見る
最も一般的な系外惑星のいくつかはスーパーアースです。の系外惑星ケプラー186fたとえば、地球より少し大きく、液体の水が存在できる領域(ハビタブルゾーンと呼ばれる)で恒星の周りを周回しています。しかし惑星科学者らは、他のスーパーアースはK2-131bのような無慈悲な場所だと考えている。金属を蒸発させる天文学者はこれまでに、これらの多様なスーパーアースを 1,500 以上発見しています。しかし、それらは依然として謎に包まれています。
地球に遠く離れたところに似ているものはありますか?雰囲気があるかどうかさえわかりません。
「Webb を使用すると、これらの検出が可能になります」と Espinoza 氏は説明しました。これらの惑星に地球と同じように二酸化炭素と水が含まれているかどうかを見てみましょう。 「それは巨大だ」と彼は言った。
ウェッブ氏は、貴重な望遠鏡の時間を新しい惑星の探索に費やすのではなく、既知の系外惑星を観察する予定だ。ほとんどが発見されたのは、非常に生産性の高い惑星探索望遠鏡ケプラー彼らは10年近くもの間、宇宙の小さな窓で星を熱心に見つめ、明るさの低下を探していました。これらの落ち込みは、惑星が恒星の前を通過することによって引き起こされることがよくありました。幅21フィートを超える金色の鏡を備えた強力なJWSTでさえ、これらの遠く離れたスーパーアースは点として表示されます。しかし、望遠鏡は依然としてこれらの世界の大気について膨大な量のことを学ぶことができます。
マッシュ可能な光の速度
天文学者は見えないものを見るために賢い戦術を採用するでしょう。彼らは、惑星が明るい星の前を通過するのを待ちます。この星の光は系外惑星の大気を通過し、次に宇宙空間を通過し、最終的には JWST に搭載された分光器と呼ばれる機器に到達します (「トランジット分光法」と呼ばれる戦略)。これらは本質的にはハイテクプリズムであり、光を虹色に分解します。ここに大きなトリックがあります。大気中の水などの特定の分子は、特定の種類または色の光を吸収します。 「各分子には特定の食事があります」とエスピノーザ氏は説明した。したがって、その色がウェッブ分光器によって観察される色のスペクトルに現れない場合、それはその色が系外惑星の大気によって吸収された(または「消費」された)ことを意味します。言い換えれば、その元素はその惑星の空に存在します。分光器はきれいな写真ではなく、線 (さまざまな種類の光を指定) を生成します。しかし、それは貴重な情報の宝庫です。
ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡に搭載された撮像装置、NIRCam のテストで得られた光のスペクトル。 クレジット: NIRCam / SPIE / Néstor Espinoza
恒星の前を通過する系外惑星のアーティストの概念。天文学者がトランジット分光法を使用するのはこのときです。 クレジット: ESA / ハッブル / NASA / M. コーンメッサー
系外惑星研究者で天体物理学者のメルセデス・ロペス・モラレス氏は、「我々は(惑星が)何でできているかを知ることができるようになるだろう」と語った。天体物理学センター - ハーバード大学およびスミソニアン大学、スミソニアン天体物理天文台とハーバード大学天文台の共同研究グループ。ロペス・モラレス氏は、ウェッブ氏の今後の観測で系外惑星の大気を研究するチームに所属している。 (分光計は大気に関する情報を収集します他の方法でもですが、トランジット分光法が主要な方法であると彼女は説明しました。)
海王星以上の、恒星から遠く離れた軌道を周回する大きな惑星の場合、ウェッブ氏は実際にこれらの世界の直接画像を撮影します。これらの大きな惑星は、若くて熱いガス状の怪物であることが多く、小さな惑星よりもはるかに多くの光を発します。これは人間の目には見えない赤外線、しかしウェッブにはそれが見えており、それは十分な量であり、解読する何兆マイルも離れたところから。
宇宙を覗き込むジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を描いたアーティストのイラスト。 クレジット: NASA GSFC / CIL / アドリアナ・マンリケ・グティエレス
そこには生命が存在するのでしょうか?
ウェッブは、私たちの太陽系が異常なのか、それとも正常なのかを教えてくれるでしょう。 (あるいは、単に私たちに伝えるかもしれません正常があるかどうか)。
質問はたくさんあります。ほとんどの太陽系はどのようなものですか?地球のような、水が豊富で比較的快適なハビタブルゾーンを周回する惑星は珍しいのでしょうか?木星や土星のような巨大ガス惑星は、他のそのような巨大な惑星と似た雰囲気を持っているのでしょうか?
「ウェッブによって初めて、私たちは太陽系を文脈の中に置くことができるようになります」とロペス・モラレス氏は語った。
しかし、惑星に生命が存在するかどうかはわかりません。世界には適切な材料がすべて揃っているかもしれませんが、生命を特定することは、これまでに構築された最も強力な宇宙望遠鏡の能力をはるかに超えています。 「生命があるのかどうか?それは非常に複雑な問題だ」とエスピノーザ氏は強調した。
居住性に関わる要素が多数あるため、状況は複雑です。惑星の大気は、金星のように最終的に非常に厚く重くなり、表面生命の可能性が消滅する可能性があります。あるいは、世界には水が溢れているものの、激しい氷河期に支配されており、生物が繁栄するチャンスはほとんど残っていないのかもしれません。これはすべて不可欠な知識です。 「惑星が地球に似ていると主張するには、多くの情報が必要だ」とロペス・モラレス氏は語った。
しかし、決定的に重要なことは、ウェッブの観察は系外惑星科学者に正しい方向を示すことになるだろう。 「それは私たちを次のレベルに連れて行ってくれます」とロペス・モラレス氏は語った。地球にいくらか似た元素と条件を備えた惑星は、科学的な金となるでしょう。そのような世界はさらなる調査の「直ちに最優先の候補となる」だろうと彼女は述べた。
恒星を背景にした系外惑星の表面のアーティストの概念。 クレジット: NASA / JPL-Caltech / T. Pyle
かに座 55 番系外惑星のアーティストのイラスト。この概念では、その表面は溶岩で覆われています。 クレジット: NASA
さらに進化した将来の望遠鏡、2030年代に宇宙に打ち上げられる可能性があるそして、地球に似た系外惑星をより良く探査するように設計されており、ウェッブの有望な手がかりを追求することができるだろう。
しかし重要なことは、人類が太陽系の穏やかな領域に位置する系外惑星に生命の可能性を求めているとき、私たちは生命が開花する可能性のある他の場所を本質的に無視している可能性があるということです。私たちの住む太陽系では、科学者たちは次のことに興奮しています。塩辛い海(と思われる)で生物が繁栄する見通し木星の遠い衛星エウロパで。土星の衛星エンケラドゥスも、海洋を主催する可能性がある氷の殻の下で。 「生命が存在する可能性があると考えられるこれらの場所は、すべてハビタブルゾーンの外側にある」と、系外惑星を研究するネバダ大学ラスベガス校の物理学助教授ジェイソン・ステフェン氏は指摘する。地球のような世界が存在する可能性のある地域に焦点を当てると、私たちに目隠しができる可能性があります。
「私たちは考えもしなかったことを学ぶかもしれません。」
それでも、JWST は、銀河の他の星を周回する外の世界についての前例のない画像 (文字通りではありませんが) を人類に提供するでしょう。何が見つかるか誰にも分かりません。
「私たちは考えもしなかったことを学ぶかもしれない」とロペス・モラレス氏は語った。