天文学者たちはすでに新しいジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を用いて、宇宙の驚異を明らかにしてきました。その中には、最初の銀河の姿を垣間見ることも含まれています。しかし、アンバー・ヤングは 次世代の宇宙望遠鏡に期待を寄せています。彼女は、次世代の宇宙望遠鏡によって、地球外生命体、少なくとも微生物のような生命が存在する可能性が最も高い惑星が特定されることを期待しています。
ヤング氏とその同僚たちは、決定木（基本的にはフローチャート）を考案しました。研究者たちはこれを用いて、他の惑星における特定の特徴の組み合わせを探し、最も有望な生命の兆候、つまり生命の兆候を示す可能性のある惑星を優先順位付けすることができます。そして、彼らは地球の歴史からその方法を学んでいます。
「地球に似た太陽系外惑星を探す戦略を概説しましたが、その対象は、現在私たちが知っている生命、つまり今ここにいる生命だけに限定しているわけではありません」と、ノースアリゾナ大学の天文学者ヤング氏は述べ、昨日シアトルで開催されたアメリカ天文学会でチームの研究結果を発表した。「地球の歴史には、大気が今とは全く異なる時代に生命が存在していた時代がいくつかあり、これは他の惑星に存在する可能性のある生命の多様性を物語っています。」
例えば、彼女は地球の始生代（約25億年から40億年前）を例に挙げています。この時代、大気中に豊富に存在したメタンと二酸化炭素のおかげで、あるいはそれにもかかわらず、微生物が地球上に広がり始めました。その後、原生代に至り、酸素濃度が上昇し始め、より大きく複雑な生物が繁栄し始めました。
今日、ほとんどの天文学者は、惑星が生命を宿す可能性を示す最も重要な指標として、大気中の水蒸気と酸素を挙げています。（メタンと、それほど深刻ではないレベルの二酸化炭素は、通常、次に挙げられます。亜酸化窒素や硫黄ガスも、その指標となることがあります。）もし地球外の天文学者が始生代に地球の大気を観測していたとしたら、水とメタンの兆候は見られたでしょうが、酸素は見つからなかったでしょう。彼らは、地球で芽生えつつある生命、そしてさらに生命に優しい惑星へと進化する可能性を容易に見落としていたかもしれません 。だからこそ 、ヤングはフローチャートを作成しました。数十億年にわたる進化のどの段階にあっても、たとえその大気が現在の地球とは異なっていたとしても、太陽系外惑星からのシグナルを探すためです。
「酸素は、地球上で最初に生成されてから20億年以上もの間、検出されなかった可能性があります。これは典型的な偽陰性です」と、フローチャートのコンセプトに賛同するカリフォルニア大学リバーサイド校の宇宙生物学者ティム・ライオンズ氏は同意する。さらに、原生代にはメタンも酸素も、遠くから検出できるほど豊富ではなかった可能性があると指摘する。
ライオンズ氏自身の研究もヤング氏と同様の視点から行われています。彼は、地球を観測していた宇宙人の天文学者が、地球が生命に適した場所であると正しく判断できたかどうかを調査しています。これは、地球が生命を宿してきた過去約40億年間の大気の成分を推測し、生物由来のガスのレベルが宇宙から検出可能かどうかを判断することを意味します。（別のチームは、他の太陽系の岩石惑星を見つけるのに用いられる手法を用いて、他の惑星の生命体が地球を発見できるかどうかを探ろうとしています。適切な視点があれば、宇宙人は太陽の前を通過する地球を検知できる可能性があり、その光は一時的に弱まり、地球の存在の手がかりとなるだろうと研究者たちは考えています。）
左はDSCOVR-EPICカメラによる地球の画像。右は、同じ画像を3×3ピクセルの解像度に劣化させたもの。これは、研究者が将来の太陽系外惑星観測で観測する画像とほぼ同等である。
NOAA/NASA/DSCOVR提供現在、太陽系外惑星の生命生存適性を評価する際、科学者たちはまずその主星を調べ、恒星フレアを大量に放出していないことを確認します。次に、その軌道を調べ、安定していて、表面に液体の水が存在するのに暑すぎず寒すぎない「ゴルディロックスゾーン」にあるかどうかを評価します。
そこからさらに難しい部分が始まります。ヤングの決定木を用いて、天文学者は大気中に相当量の水蒸気が存在するかどうか、つまり実際に地下に水が存在する兆候かどうかを調べようとします。つまり、JWSTに搭載されているような分光器を用いて、惑星の大気を赤外線波長でスキャンするのです。
次に、分光器を使って酸素やメタンといった重要な分子を探します。それぞれの分子の発見量によって、次に二酸化炭素やオゾンといった物質を探す対象が決まります。（他の惑星でも起こりうる光合成は酸素を生成します。酸素を利用する生物は通常、二酸化炭素と水を生成しますが、細菌などの一部の微生物はメタンを生成します。）
可能であれば、これらの潜在的なバイオシグネチャーを一つだけでなく、すべて推定するのが最善です 。しかし、望遠鏡の分光器が感度を持つ波長域によっては、ある分子の存在量を他の分子よりも正確に測定できる場合があります。ヤングの決定木にこれらの経路をすべてプロットすることで、天文学者は、自分が見ている世界が現代の地球に似ているのか、地球の過去の姿なのか、それとも全く別の何かなのかを知ることができます。
なぜ地球外生命体の探査が、木星のような巨大ガス惑星や、土星最大の衛星タイタン、あるいはその姉妹衛星エンケラドゥスのような海洋惑星ではなく、地球にこれほど重点を置いているのか、不思議に思う人もいるかもしれません。「戦略的に考えると、私たちが知っている生命体を探すのは理にかなっています。あちこちに魅力的な兆候があるにもかかわらず、生命が存在する惑星の例はたった一つしかありません」と、シアトルにあるブルーマーブル宇宙科学研究所の宇宙生物学者、ケン・ウィリフォード氏は言います。
彼はNASAの火星探査車「パーサヴィアランス」に携わっています。この探査車は火星における過去の生命の痕跡を探しており、後に科学者たちがかつて水域だったと考える海岸に向かう予定です。もし火星が古代の地球に似たものであったとすれば、浅い海洋環境の残骸が探査車に化石化した「微生物マット」、つまり層状の微生物群集を発掘する機会を与えてくれるかもしれません。
しかし、ヤングのフローチャートに従えば、必然的に曖昧な結果を返す惑星がいくつか見つかるだろう。有望な兆候もあれば、不確実なものもある。カリフォルニア大学サンタクルーズ校の天文学者マギー・トンプソン氏は、生命の存在に好都合と思われる兆候が、実際にはメタンを生成する火山など、非生物的起源によるものである場合、誤検出を避けることが重要だと指摘する。同氏は今週の天文学会議で自身の研究成果も発表した。
例えば、タイタンの大気はメタンで覆われていますが、極寒の温度と水不足のため、生命は存在しない可能性が高いです。（ただし、これはあくまで「おそらく」です。タイタンには、メタンの湖で生き延び、アセチレンを摂取し、酸素ではなく水素を呼吸できる、これまで見たこともないような奇妙な微生物が生息している可能性もあります。しかし、NASAがドラゴンフライ回転翼機を派遣して調査するまで、詳細はわかりません。）
それでも、メタンがより生命の生存に適した太陽系外惑星、特に水を含む温暖な惑星においては、重要な生命の痕跡となる可能性がある。「メタンの魅力は、生命が利用し、生成する比較的単純な物質である可能性があることです」とトンプソン氏は言う。ウェッブ望遠鏡は、先日初の太陽系外惑星を発見したばかりだが、近赤外線分光器を搭載しているため、この探査において役立つだろう。「メタンはJWSTが実際に検出できる数少ないガスの一つですが、JWSTだけでは決定的な生命の痕跡を持つ惑星を発見することはおそらくないでしょう」とトンプソン氏は言う。
この図は、TRAPPIST-1系で新たに発見された惑星の一つ、TRAPPIST-1fの表面の様子を示しています。科学者たちはスピッツァー宇宙望遠鏡と地上望遠鏡を用いて、この系に地球サイズの惑星が7つ存在することを発見しました。
NASA/JPL-Caltech提供ヤング氏は、ウェッブ氏の後継機となるハビタブル・ワールド・オブザーバトリー（HAO）に期待を寄せている。HAOは、太陽のような恒星を周回する地球サイズの惑星に生命の兆候を探す任務を負う。（これまでのところ、天文学者にとって、より危険な活動を示す赤色矮星を周回する巨大ガス惑星の発見は容易だった。）昨年12月、NASAのビル・ネルソン長官は、この望遠鏡を2030年代に開発する計画を発表した。新しい望遠鏡の感度次第ではあるが、ヤング氏のモデル化によれば、数十もの地球型惑星を発見できる可能性があるという。
彼女は、私たちがまだ知らない生命体についても、常に視野を広げている 。この決定木には、地球の歴史のどの段階にも似ていないような惑星の枝も含まれている。「私たちは、予期せぬ出来事、つまり分類できないかもしれない奇妙なケースに備えたいのです」と彼女は言う。「そういったケースは『曖昧な惑星』のカテゴリーに入れ、興味深いターゲットとしてフラグを立てましょう」
