太陽系の外から降り注ぐ微粒子に生命の痕跡を探す～地球外生命の新たな探査法～

2023-03-22 東京大学

戸谷友則（天文学専攻教授）

発表のポイント

太陽系の外から地球に降り注ぐ１ミクロンサイズの微粒子を捕らえることで、太陽系外の生命の探査が可能であることを示しました。
太陽系外で生まれた原始的な生命の痕跡を直接的なサンプルとして取得することができるという、新しくユニークな地球外生命の探査法になります
我々の住む銀河系において、生命が生まれる惑星がどれくらいあるのかを探ることができます。将来、これを実現するための技術の検討が望まれます。

発表概要

東京大学大学院理学系研究科の戸谷友則教授は、太陽系外で生まれた生命を探索する新しい方法を提案しました。太陽系外の恒星のまわりの惑星系において、生命が存在する惑星に小惑星が衝突し、惑星表面の岩石が細かな粒子として宇宙空間に放出されます。それが惑星系を飛び出し、星間空間^（注1）を旅して、一部は最終的に太陽系の地球までやってきます。今回の研究で、そのような微粒子が年間約10万個も地球に降り注いでいると見積もられました。将来、この微粒子を捕らえることで、太陽系からはるかに遠い惑星系で生まれた生命の痕跡を、我々が直接手にすることができるかもしれません。そして、銀河系の数多くの恒星の中で、生命が生まれる惑星を持つものがどれくらいあるのか、という問いに答が得られるかもしれません。今後は、このような探査を将来に実現するための技術的な検討が望まれます。

発表内容

〈研究の背景〉
地球外に生命は存在するのか。科学の枠を超えて、人類にとって究極の問いかけの一つと言えるでしょう。現在、地球外生命の探査はいくつかのアプローチで行われています。一つは、太陽系内の惑星や衛星に探査機を送り、生命やその痕跡を探すというものです。しかし、太陽系内に地球外生命がいるという保証はありません。もしいなければ、太陽とは別の恒星の惑星系における生命を探すしかありません。天文学では、太陽に近い恒星を公転する太陽系外惑星を観測し、大気中の酸素などの生命痕跡（バイオシグネチャー）を探すという手法も、次世代の宇宙望遠鏡で可能となるかもしれません。しかしこの手法では、誰も疑いのない形で太陽系外生命の存在を証明するのは難しいとされています。現地に行くことのない、遠方からの間接的な観測だけでは、生命の痕跡と思われるものが本当に生命に起因するのか、あるいは非生物的に生成されたのか、判断が難しいのです。もう一つがSETIと呼ばれる地球外文明が発する電波信号の探査です。もしそのような信号を捉えれば確実な証明となるかもしれませんが、原始的な生命から文明にまで進化する確率は極めて低いかもしれません。原始的な太陽系外生命を探索する新しい手法が望まれます。

〈研究の内容〉
今回の研究では、太陽系外の地球型惑星に巨大隕石が衝突し、その際に様々なサイズの岩石や粒子が宇宙空間に放り出されることに注目しました。このようなことが頻繁に起きていることは確実で、実際、地球で採取された隕石の中には火星からやってきたものがあり、これらも火星に小惑星が衝突した際に放り出されて、最終的に地球に落下したと考えられています。約6600万年前に地球に小惑星が衝突し恐竜が絶滅した際にも、地球からそのような岩石や粒子が大量に宇宙にばらまかれたはずです。こうした岩石に生きた生命が乗って、惑星間、あるいは恒星間を旅するという可能性は、生命の起源を宇宙に求めるパンスペルミア説としてこれまでも議論されてきました。しかし、生きた生命を宇宙空間の宇宙線や放射から守るためには比較的大きい岩石（約1キログラム以上）が必要です。太陽系内の移動ならばともかく、そんな岩石が星間空間を超えて、他の恒星の惑星系に生きた生命と共に到着する可能性は、極めて低いと考えられています。

今回の研究の着想は、「生きた生命ではなく、生命の痕跡で良いのなら、もっと小さな粒子で構わない。そうした粒子は数においてははるかに多いから、地球までやってくる粒子数も多いのではないか？」というものでした。この目的のためには、１ミクロン（千分の一ミリメートル）程度のサイズの粒子が有望です。微生物の死骸や化石が含まれうる大きさであり、また、このような小さな粒子は太陽の放射による圧力が重力と同じ程度なので、容易に惑星系を脱出して星間空間に飛び出します。

今回の研究では、銀河系の中の多数の恒星に付随する地球型惑星から微粒子が脱出し、星間空間での移動や損失、そして最終的に太陽系の地球に到達するまでの様々なプロセスを吟味し、そのような粒子の数の見積りを初めてはじき出しました。

その結果は、年間10万個が地球に降り注いでいるというものです。もし、銀河系に存在する惑星の多くで生命が誕生し、地球のように表面が生命で満ち溢れた惑星が普通に存在するならば、これらの粒子の中に太陽系外微生物の化石や、生物に由来する岩石や鉱物（石灰岩が例として挙げられます）が含まれているはずです。このように小さなサイズの粒子は、地球の大気圏に突入してもすぐに減速され、さほど高温にならずに地上に降ってくると考えられています。太陽系外の生命の痕跡が刻まれた粒子が、日々、我々の頭上から近くの地面に落ちてきているかもしれないのです。もし、これらの粒子を集めることができれば、銀河系の中に生命を宿す星がどれだけあるのか？という問いに迫ることができます。

キャプション：太陽系外の惑星系から生命痕跡を含んだ微粒子が放出され、地球に到達するまでの概念図
なお、この図では以下のクレジットの画像を使用しております。
Image credit: NASA/Don Davis (隕石衝突の想像図), NASA, ESA and G. Gilmore (University of Cambridge); Processing: Gladys Kober (NASA/Catholic University of America)（背景の宇宙画像）

〈今後の展望〉
実際にこうした粒子を捕らえることは決して容易ではなく、まだ様々な検討が必要です。何より難しいのは、膨大な数の粒子からこれらの粒子を選り分けることです。太陽系の惑星間空間^（注1）には惑星間塵^（注2）と呼ばれる微粒子が常に漂っており、年間数万トンという量で地球に降り注いでいます。その中から、太陽系外に起源を持つ粒子を探し出すのは、砂漠に落ちた砂粒を探すようなものです。しかし年間10万個という個数は、我々が将来、太陽系外の生命痕跡の直接的なサンプルを得られるという極めて貴重な可能性を示唆しています。

こうした粒子を捕らえる方法も様々に考えられます。一番直接的な方法は、宇宙空間に検出器を多数並べて直接捕らえることです。実際、星間空間を漂っていた星間塵（注2）の粒子が太陽系に入り込んできたと思われるものが、人工衛星で検出されています。粒子の軌道を調べれば、太陽系外から来たかどうかを判別することも可能です。また、地球に落ちてきた惑星間塵は南極の氷や深海底に堆積した粘土からも検出されています。それらの中に太陽系外からの粒子を探す可能性もあるかもしれません。

約100年前、アインシュタインが重力波^（注3）の存在を予言したとき、それを実際に検出できるとは当時の誰も考えませんでした。現在人類は、10億光年の遠方で起きたブラックホールの合体によって、4 kmの検出器の長さがわずかに陽子の一千分の一だけ縮んだことを検出しています。まずは、そうしたものが存在していると認識するところからすべては始まります。将来の科学のさらなる発展に期待したいものです。

論文情報

雑誌名 International Journal of Astrobiology論文タイトル Solid grains ejected from terrestrial exoplanets as a probe of the abundance of life in the Milky Way 著者 Tomonori TOTANI DOI番号