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17の太陽系外惑星に液体の海が存在する可能性

生命の探索は、液体の水の探索と結びついている。そのため天文学者は、恒星のハビタブルゾーンにある岩石質の地球に似た系外惑星の検出に熱心だ。ハビタブルゾーンでは、惑星は恒星から十分なエネルギーを受け取り、適切な大気条件があれば表面に液体の水を維持することができる。

しかし、我々の太陽系では、ハビタブルゾーンをはるかに超えたところに液体の水を持つ世界が見つかっている。他の太陽系でも同じことができるのだろうか?

氷の世界の地下に海があることを発見するひとつの方法は、噴煙を検出することだ。太陽系の氷の衛星であるエンケラドスとエウロパからは、氷の噴出物が見つかっている。遠方の太陽系外惑星に氷の下の海があるかどうかを判断するために、同じ噴煙を見る可能性はない。

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太陽系の2つの凍てつく海の衛星で、氷火山の噴出物を発見した。左の画像は、土星の衛星エンケラドスの南極にある低温火山噴出物を示している。右のハッブル画像は、木星の衛星エウロパの低温火山噴出物を示している。 (Credit Left: NASA/JPL-Caltech/SSI. Image Credit Right: NASA/L. Roth)

しかし、NASAの科学者の中には、どの太陽系外惑星に海が存在するかを判断する別の方法を見つけたかもしれないと考えている者もいる。

われわれは5,000個以上の太陽系外惑星を知っているが、それらの惑星を実際に見たことはない。直接撮像された太陽系外惑星はいくつかあるが、それらは点にすぎない。興味深いが、そこから多くを学ぶことはできない。海があるかどうかもわからない。

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この画像は、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡から見た太陽系外惑星HIP 65426 bの赤外線の異なるバンドを示している。このような太陽系外惑星の直接画像は重要な一歩ではあるが、惑星の性質について多くを明らかにするものではない。(Credit: NASA/ESA/CSA, A Carter (UCSC), the ERS 1386 team, and A. Pagan (STScI).)

通常の意味での太陽系外惑星を実際に見ることはできないが、一部の研究科学者は、少なくともどの太陽系外惑星に氷の下の海が存在するかを決定する方法を発見した。膨大な数の太陽系外惑星が存在するが、このような研究は天文学者がどの太陽系外惑星に注目すべきかを知るのに役立つ。

これらの結果は、”Prospects for Cryovolcanic Activity on Cold Ocean Planets“というタイトルでAstrophysical Journal誌に掲載された。筆頭著者はメリーランド州グリーンベルトにあるNASAゴダード宇宙飛行センターのLynnae Quickである。

氷の殻を持つ海洋世界では、潮汐熱と世界のコアに含まれる元素の放射性崩壊が、埋もれた海が凍らないようにする熱を供給している。このような世界では、氷の殻の割れ目から水が噴出することがあり、エンケラドスやエウロパのような低温火山性噴煙が形成される。トリックは、氷の殻の下に海があるかもしれない太陽系外惑星を突き止めることだ。

研究チームは、17の既知の太陽系外惑星が氷の海の世界である可能性があると判断した。研究チームは、エウロパとエンケラドスに基づくアルベド推定値を用いて、17の太陽系外惑星を特定した。研究チームはまた、太陽系内の小惑星の元素構成に基づき、軌道から潮汐加熱を計算し、放射性元素の崩壊による放射加熱を推定した。

また、それぞれの間欠泉の活動量も計算した。

「我々の分析によれば、これらの17の惑星は、表面は氷で覆われているが、放射性元素の崩壊と主星からの潮汐力によって、内部に海を維持するのに十分な内部加熱を受けている可能性がある。彼らが経験する内部加熱の量のおかげで、我々の研究に含まれるすべての惑星は、間欠泉のような噴出物の形で氷火山噴火を示す可能性もある」と、著者は記している。

しばしば研究されている2つの太陽系外惑星が、極氷火山活動のトップである:プロキシマ・ケンタウリbとLHS1140bである。このペアはエウロパの数百倍から数千倍の火山活動がある可能性がある。トラピスト1惑星のうちの3つも17の中に含まれている。太陽系外惑星のニュースを追っている読者なら、他の惑星にも見覚えがあるかもしれない:ケプラー62f、ケプラー1652b、GJ-514bである。

リストに挙がっている惑星はすべてほぼ地球サイズで、密度は完全に岩石質ではないことを示唆している。いずれもかなりの量の氷と水を持つ可能性がある。どれも地球よりずっと寒いので、エウロパやエンケラドスのように表面が凍っている可能性が高い。

これらの惑星が極氷火山活動を起こすには2つの方法があり、それは氷の殻の厚さによる。

凍った地殻を持つこれらの海洋世界は、静的なものではない。氷の殻を持つ惑星は、ほとんどの星光が反射されるため、ほとんどすべての熱を内部から得ている可能性が高い。潮汐加熱は、軌道が完全な円形でない限り、惑星が恒星の周りを公転するにつれて変化する。

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この図は、17の太陽系外惑星の内部加熱の合計を示しており、比較のためにエウロパ、地球、イオも含まれている。「エウロパは火山活動や地殻変動が活発で、氷の殻の下に海がある。(Credit: Quick et al. 2023.)

氷の地殻が厚い惑星では、潮汐による加熱条件が時間とともに変化するため、液体の水が氷の殻の中に入り込み、揮発性物質を含む液体の水のポケットが形成されることがある。このような水のポケットは、氷の殻の弱点から噴出することもある。殻が薄い惑星では、海そのものから直接水が噴出することもある。

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この図は、氷の殻を通して液体の水がどのように噴出するかを示すのに役立つ。上の図は、薄い(厚さ10km以下)氷の殻から水が噴出する様子を示しており、地下の海とつながった水で満たされた割れ目から揮発性物質が噴出する。下図は、氷の殻が厚い惑星で、氷の中の孤立した水のポケットから水が噴出している様子を示している。 (Credit: Quick et al. 2023.)

氷の厚さは極低温活動の量を決定するのに役立ち、研究者たちは17の太陽系外惑星の殻の厚さを決定した。惑星の温度はその厚さを決定するが、研究者たちは、サンプルの惑星の表面温度が考えられているよりも低く、場合によっては摂氏33度(華氏60度)まで低いことを突き止めた。

プロキシマBの氷の殻の厚さは約58メートル(190フィート)しかなく、LHS-1140bの殻の厚さは1.6キロ(1マイル)しかない。一方、MOA 2007 BLG 192Lbの殻の厚さは約38.6km(24マイル)である。ちなみに、エウロパの氷の殻の厚さは約29km(18マイル)である。これは何を物語っているのだろうか?

「私たちのモデルは、海洋がプロキシマ・ケンタウリbとLHS 1140 bの表面に比較的近い場所で見つかる可能性があり、間欠泉の活動速度がエウロパの数百倍から数千倍を超える可能性があると予測しているため、望遠鏡はこれらの惑星の地質活動を検出する可能性が最も高いでしょう」と、Quick氏は説明した。

プロキシマ・ケンタウリbの画像はなく、惑星の表面がどのように見えるかを描いた芸術家のイラストがあるだけだ。 (Credit: ESO/M. Kornmesser)

プロキシマ・ケンタウリbに関しては、多くの不確定要素がある。唯一確かなことは、天文学者が古典的なハビタブルゾーンとして考えている範囲にしっかりと入っているということだ。それ以上に、恒星と潮汐ロックしているかどうかは定かではないが、その可能性は高いだろう。もしそうだとすれば、温度や大気、水分の状態などすべてが変わってくる。惑星全体に海があるかもしれないし、孤立した小さな水域しかないかもしれない。氷の下に液体の海があり、部分的または全体的に凍っている可能性もある。あるいは、すべてが乾燥した陸地かもしれない。

しかし、もしこの新しい研究が正しければ、ハビタブル惑星の探索は、我々が考えていたよりもずっと地球に近いところに、より現実的なターゲットを得たことになる。地球は、太陽光線から隔離された深海の熱水噴出孔に生命の共同体を受け入れている。同じことが氷に覆われた海洋世界でも起こりうるというのは、もっともな話である。

「この研究で検討された惑星はすべて、外部の氷殻の下にさまざまな深さの地下海が存在し、活発な地質学的プロセス、特に低温火山活動が存在するのに十分な大きさと内部加熱を経験している」と著者たちは結論で書いている。「太陽系の海洋惑星の経験が何らかの指標になるとすれば、プロキシマ・センb、トラピスト-1f、そして我々の研究に含まれる全てのケプラー惑星について我々が推定した薄い氷の殻は、これらの惑星で爆発的な極氷火山活動のエピソード中に宇宙空間に放出された噴出物が、地下の海から直接噴出することを示唆している」。

つまり、これらの世界はエウロパと同じカテゴリーに入る。そして我々は、エウロパの噴煙から岩石粒子、塩類、有機化学物質を検出している。もしこれらの惑星で噴煙が検出されれば、その惑星の海の構造を直接示す証拠となるだろう。

プロキシマ・ケンタウリbを見ることができる新しい望遠鏡がまもなくオンラインになる。巨大マゼラン望遠鏡(GMT)は今後数年以内に稼働する予定で、PCbを容易に観察できる分解能を備えている。「プロキシマ・ケンタウリから最も近い太陽系外惑星であるプロキシマbの角度間隔は、補償光学装置を使えば、GMTが容易に到達できる範囲である」と、GMTのウェブサイトにはある。この強力な望遠鏡が、海から噴出する低温火山性の噴煙を検出する可能性はある。

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このイラストは、巨大マゼラン望遠鏡がオンラインになったときの姿を示している。この強力な望遠鏡は、プロキシマ・ケンタウリbを含むいくつかの太陽系外惑星を撮影することができる。 (Credit: Giant Magellan Telescope – GMTO Corporation)

GMTをはじめとする、より新しく強力な望遠鏡が今後数年のうちに稼働するようになれば、天文学は変わるだろう。そして、もしGMTがプロキシマ・ケンタウリbの間欠泉活動を測定することができ、それがたくさん見つかれば、生命探査も変わるだろう。

恒星の周りの古典的なハビタブルゾーンに焦点を当てるのではなく、生命を支える海が存在し、氷のキャップの下で持続している可能性のある、さらに外側の惑星を考えることができる。天文学者がより多くのプルームを検出し、その中に何があるのかを測定する方法を見つけ出すことができれば、生命探査は大きな一歩を踏み出すことになるだろう。


この記事は、EVAN GOUGH氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。

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