「地球2.0」を求めて、中国の科学者が天体調査計画を提案

◎科技日報記者 金鋒

宇宙に他の生命が存在するかどうか、そして人類が居住するのに適した第二の故郷が存在するかどうかは、何千年もの間、科学者たちを宇宙のより深いところまで探究させ続けてきました。

最近、記者は中国科学院紫金山天文台から、中国の科学者らが「近傍居住可能惑星探査」（以下、「CHES」と略す）を提案し、直径1.2メートルの高精度天文測定宇宙望遠鏡を打ち上げ、太陽地球ラグランジュL2点で少なくとも5年間定常運用し、地球から約32光年離れた太陽型の恒星100個を検出し、太陽系外初の居住可能領域「地球2.0」を発見することを計画しているとの情報を得た。これは、太陽系の近くの恒星の周囲にある、居住可能な地球のような惑星を探すために特別に設計された初の国際宇宙探査ミッションとなる。

「宇宙の進化に関する限り、50年から100年後に地球の環境に何が起こるかを予測することはできません。私たちは、宇宙、特に太陽系の近隣の星の周囲に居住可能な惑星があるかどうかを探り、それらの惑星に生命や高度な文明があるかどうかを探ろうとしています。」中国科学院紫金山天文台の研究者で「近隣居住可能惑星調査」プロジェクトリーダーの季江慧氏は科技日報に対し、科学者たちはこの計画を実行することで「地球2.0」の探索に賢明な目をもたらすことを望んでいると語った。

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地球と同等の質量を持ち、生命居住可能領域内にある近隣の惑星を探します。

1995年に太陽系外で初めて木星のような惑星が発見されて以来、人類は5,000個以上の太陽系外惑星を発見し、確認してきました。これらの惑星は、ホットジュピター、サブネプチューン、岩石惑星、スーパーアースなど、大きさや形がさまざまです。

2007年に発見されたグリーゼ581cは、人類が居住可能領域内で発見した最初の地球型惑星であると考えられている。 2016年、天文学者は地球に最も近い恒星であるプロキシマ・ケンタウリの周囲の居住可能領域に位置する地球に似た惑星、プロキシマbを発見した。最小質量は地球の1.3倍で、公転周期はわずか11.2日です。

「太陽系の生命居住可能領域は火星と金星の間にあり、地球はその真ん中に位置している。」季江慧氏は、天文学者は惑星系内で生命が存在するのに適した惑星軌道の範囲を「生命居住可能領域」と呼んでいると紹介した。

「居住可能領域」内では、惑星の平均表面温度が液体の水の安定した存在を維持できるため、地球と同様の生命存在条件を備えている可能性があります。同時に、ここでの恒星の放射線と活動はそれほど強くはないので、惑星の大気中の水分子と二酸化炭素分子のイオン化や、惑星の大気の剥奪さえも避けられるだろう。

「太陽系外のハビタブルゾーンで発見されている地球型惑星は約50個あるが、そのほとんどは地球の数倍から10倍の質量を持つ『スーパーアース』に相当する。その多くは地球から数千光年も離れたところにある。しかも、発見された惑星の多くは表面温度が3500ケルビン以下の赤色矮星の周囲にあり、宇宙環境はフレアが激しく過酷だ。そのため、私たちがより懸念しているのは、地球から約32光年離れた太陽に似た恒星のハビタブルゾーンに『アース2.0』があるかどうかだ」季江慧氏は、CHES計画が目指す「地球2.0」または「双子の地球」とは、地球と同等の質量を持ち、居住可能領域を周回し、大気中または地表に生命を維持できる液体の水がある惑星だと述べた。

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「たとえ人類が現在これらの地球のような惑星に到達する能力を持っていないとしても、人類が宇宙のどこに行くのか、地球のような他の惑星が存在するかどうかについての私たちの考えには影響しません」とジ・ジャンフイ氏は語った。

太陽系外惑星の輪郭を描くことができるトランジット法では、惑星の「重さ」を測ることは難しい。

広大な星空の中で、地球が生命が存在する唯一の孤独な惑星であるかどうかは、世界中の科学者を惹きつけ、深宇宙探査に全力を尽くすきっかけとなっています。彼らは惑星の痕跡を捕らえるために宇宙と地球に「惑星ハンター」を配備します。

宇宙では、米国のケプラー宇宙望遠鏡とTESS衛星が太陽系外惑星の探査を引き継ぎ、これまでに3,400個以上の惑星を発見している。

地上では、スペインとドイツのCARMENESプロジェクトがスペイン南部の3.5メートル望遠鏡を使用し、近赤外線観測と光学ステップグレーティング分光計を組み合わせて、赤色矮星の周囲にある地球のような惑星を探索しています。カナダ・フランス・ハワイ望遠鏡が開発した新型分光偏光計「SPIRou」と米国マクドナルド天文台の「ハビタブルゾーン惑星ファインダー」は視線速度法を用いて近赤外線帯域で赤色矮星の周囲にある居住可能な惑星を探索する。

季江慧氏は、太陽系外惑星を検出する現在の方法には、トランジット法、視線速度測定法、天体測量法、直接撮像法、マイクロレンズ法などがあると紹介した。これらの太陽系外惑星のほとんどは視線速度測定とトランジット法によって発見されました。

「宇宙の恒星の約73％は赤色矮星です。赤色矮星は実効温度が低く、居住可能領域が主星に近く、質量と体積が小さいため、トランジット法や視線速度法で周囲の惑星を簡単に検出できます。」ジ・ジャンフイ氏は、「トランジット」とは、惑星が恒星の前を通過するときに、恒星からの光を遮ることを指すと説明した。したがって、太陽系外惑星の通過現象は、恒星の明るさの周期的な減光によって追跡することができます。これは金星の太陽面通過のようなものです。金星が太陽の表面からゆっくりと移動すると、太陽のごく一部が遮られ、太陽が暗くなって見えます。トランジット観測では、恒星の明るさの周期的な変化に基づいて、太陽系外惑星の大きさと公転周期を推測することができます。しかし、季江慧氏は、通過方法は効果的だが、その検出効率には限界があるという事実を隠さなかった。

「まず、トランジット現象を観測するには、惑星の軌道に特別な要件があります。惑星は、地球に向かう恒星の方向、つまり観測者の視線の方向を通過する必要があります。しかし、惑星の軌道はランダムに分布しているため、一部の宇宙望遠鏡でトランジットが検出される確率はわずか5/1000です。第二に、恒星の光度の弱まりや暗さは、太陽黒点や恒星活動によって引き起こされる可能性があるため、トランジット法は他の地上検出方法によって確認される必要があります。そのため、TESSが約4,000個の惑星候補を観測したにもかかわらず、確認できる惑星は200個強にすぎません。第三に、トランジット法では惑星の半径しか測定できず、地球2.0を説明する重要なパラメータである惑星の質量を直接示すことはできません」とジ・ジャンフイ氏は述べた。

革新的な検出方法、CHESの検出精度はマイクロ秒角レベルに達する

トランジット検出方法を使用する TESS などの衛星とは異なり、CHES プログラムでは、宇宙空間でマイクロ秒角レベルの高精度天体測定法を使用して、ターゲット星と 6 ～ 8 個の参照星間のマイクロ秒角レベルの星間距離を正確に測定します。この微妙な変化は、軌道を周回する惑星の重力摂動によって引き起こされる対象の恒星の非常に小さな変動を反映しています。

「簡単に言えば、恒星の周りに惑星がある場合、その惑星は恒星に小さな周期的な振動を引き起こします。恒星自身の動きを除いた後、恒星の振動振幅が小さいほど、その周りの惑星の質量は小さくなり、逆もまた同様です。恒星の位置の小さな変化を観察することで、恒星の周りに居住可能な惑星があるかどうかを確認し、それらの実際の質量と軌道パラメータを計算できます」とジ・ジャンフイ氏は語った。

広大な宇宙の中で「地球 2.0」を見つけるには、鋭い目が必要です。季江慧氏は、CHESの科学搭載機器は口径1.2メートル、焦点距離36メートルの高画質、低歪み、高安定性の光学望遠鏡であり、回折限界に近い全視野撮影が可能だと述べた。

計画によれば、CHES宇宙望遠鏡は太陽地球系の第2ラグランジュ点のハロー軌道に送り込まれ、この軌道上で少なくとも5年間安定した運用を維持することになる。この期間中、太陽型の恒星100個について科学的検出を実施し、各恒星を50回以上観測します。地球に似た惑星を約50個発見すると期待されている。

CHES の検出精度は、これまでにないマイクロ秒角レベルに達します。季江慧氏は「これは地球から月を眺め、月に置かれた1元硬貨の縁を見分けるのと同じことだ」と例えている。同氏は、長年の努力の末、CHESチームはマイクロピクセル衛星間距離測定などの主要技術で画期的な進歩を遂げ、居住可能な惑星の検出精度要件を満たすことができたと述べた。 CHES が承認されれば、高精度天体測量法を用いて居住可能な惑星を具体的に探す世界初の宇宙探査ミッションとなる。

ジ・ジャンフイ氏は、このミッションは居住可能な惑星の発見に加え、暗黒物質やブラックホールなどの最先端の科学研究にも相応の貢献をするだろうと語った。

CHES がこれらの地球に似た惑星の軌道をうまく「捕捉」できれば、それらの惑星が居住可能な「選ばれた惑星」になるかどうかをどうやって判断できるのでしょうか?ジ・ジャンフイ氏は「惑星の質量や居住可能かどうかの判断に加え、水や酸素の有無や、これまでに発見された惑星との違いも調べる必要がある」と説明した。さらに、生命が誕生するのに十分な長さの恒星や惑星の寿命、適切な恒星の明るさ、安定したほぼ円形の惑星軌道と自転傾斜角、適切な惑星の大気と惑星の磁場など、生命が安定して存在するための条件は他にも数多くあります。

地球から32光年離れたハビタブルゾーンにある地球に似た惑星に人類はどうやって到達できるのでしょうか？季江慧氏は次のように想像した。「まず、これには恒星間航行能力の恩恵が必要です。たとえば、飛行速度は光速以下に達する必要があるかもしれません。さらに、これらの惑星の分布を把握する必要もあります。これには、人類の将来の発展のために宇宙を拡大するために、地球から32光年離れた太陽型の恒星の包括的な「恒星間国勢調査」が必要です。」

出典：科技日報

編集者：張爽

レビュー: ジュリー

最終審査員：王宇