[비즈한국] 春が過ぎ、夏が近づく今日この頃、夜空にはしし座が浮かんでいる。ごく普通の星座に見えるかもしれないが、今夜以降は全く違って見えるかもしれない。最近、この場所で地球外生命体の最も確実な証拠と思われる信号が発見されたからだ。我々が知る限り、少なくとも地球においては、生命活動以外では決して説明できない成分2つが非常に強く検出された。未知の全く異なる化学反応が起きているのでない限り、非常に高い確率で、ここで本当に地球外生命体の「企み」が進行していることを意味する可能性がある。
残念ながら今回の論文では、科学で語られる「動かぬ証拠」の基準である5シグマには届かなかったが、今回の分析によればその信号は3シグマを超えている。これは、この信号が単なる偶然や統計的な誤差である可能性が1000分の1しかないことを意味する。もちろん5シグマには及ばないため軽々しく語ることはできないが、十分に興味深い結果だ。果たしてここで検出された信号は何を意味するのか？ 我々はついに、待ちわびた地球外生命体の存在を確認できるようになるのだろうか？
2009年に宇宙へ打ち上げられたケプラー宇宙望遠鏡、そしてその後を継ぐTESSのおかげで、我々はすでに1万個を超える系外惑星とその候補を把握している。系外惑星に生命体が住むためには、まず暑すぎず寒すぎない適度な温度が必要だ。そのためには中心星から適切な距離を保った軌道、すなわち「ハビタブルゾーン（ゴールドロックス・ゾーン）」になければならない。これまで知られている系外惑星のうち、この厳しい最初の試験を通過したのはわずか1%に過ぎない。
最近議論の的となっている「K2-18b」もその一つだ。しし座の方角へ124光年離れた星のそばで発見された惑星である。「K2」はケプラーの2回目のミッション中に発見されたことを意味する。当初ケプラーははくちょう座付近の特定の方向だけを狙っていたが、2013年に姿勢を制御するホイールのうち2基が故障し、新しい戦略を立てざるを得なくなった。最終的に天文学者たちは太陽風を活用して望遠鏡の姿勢を固定させる斬新な戦略を試み、その過程でケプラーは本来見ていたはくちょう座の方角を離れ、複数の方向をスキャンするK2ミッションを行うことになった。その過程で、しし座の方角からこの惑星を発見したのである。
K2-18という星は、太陽質量の49.5%、ほぼ半分程度の質量を持つ、より小さく矮小な星だ。そのため星自体は太陽に比べてはるかにぬるい。より赤い赤外線を多く放出する赤色矮星である。ケプラーは、星のそばを惑星が回る際、周期的に星の前を横切ることで星の明るさが微細に暗くなる「トランジット現象」を利用して惑星を探索した。K2-18bもこの方法で発見された。この惑星の公転周期は約33日、およそ1ヶ月だ。つまり、この惑星が中心星を一周する時間をその惑星での1年と定義するなら、1年はわずか33日しかないということだ。地球で私たちが雑煮を一度食べる間に、ここでは10回も食べなければならないだろう。
実はK2-18bという惑星は、以前から少し異なる側面で天文学者の間で議論されていた。この惑星の質量は地球の約8.6倍、直径は2.6倍である。そして惑星の密度は、純粋に岩石だけで構成された惑星に比べて軽い。したがって、惑星全体が岩石でできているようではない。これを説明できる有力なモデルは大きく3つある。一つ目はミニ海王星である可能性だ。海王星に比べればサイズは少し小さいが、中心に岩石の核があり、その周辺を強い圧力で圧縮された氷の層が囲んでいる可能性がある。二つ目に、岩石の核の周辺に氷はなく、すべて水素で満たされた厚い大気をまとっている可能性もある。最後は少し特別な可能性で、岩石の核を巨大な海が囲み、その上に薄い水素大気が覆われている場合だ。水だけで満たされたマントルのように考えられる。薄い水素大気と海からなるこのような惑星を「ハイセアン（Hycean）惑星」と呼ぶ。
当時まで、ハイセアン惑星は数ある仮説の一つに過ぎず、実際の存在が確認されたことはなかった。では、K2-18bがどのような世界かを知るにはどうすればいいのか？ 天文学者たちは、各シナリオによって惑星の大気から検出される化学成分に大きな違いが生じるはずであるという事実を突き止めた。もし海がなく厚い水素大気だけで構成された世界なら、その大気成分は海王星と似ているはずだ。メタンとアンモニアが豊富で、一酸化炭素までもが非常に多く検出される可能性がある。一方、惑星全体が海で覆われていれば大きな違いが生じる。水はこうした化学成分を効果的に溶かすため、大気の化学組成も大きく変わるからだ。特に大気中のアンモニアと一酸化炭素は消え、メタンと二酸化炭素が多く検出されるはずである。
そして昨年、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の観測で、正確にこのモデルに合致する信号が確認された。これを通じて天文学者たちは、K2-18bが表面全体が海で覆われ、薄い水素大気に囲まれた伝説上の「ハイセアン惑星」であるという結論に達した。
惑星全体が海とは、研究陣はここに一歩踏み込んだ。では、海で生きるプランクトンのような生態系が存在しないだろうか？ 系外惑星に本当に生命体がいるのかを確認する最も確実な方法は、直接行って記念写真を撮ることだ。しかしあまりに遠く、これは不可能だ。我々にできることは、地球にいながら遠くにかすかに見える系外惑星の光を分析し、その中に生命の証拠が隠れているかを確認することだけである。
天文学者が最も頻繁に試みる方法は、系外惑星の大気圏、空にどのような化学成分が存在するのかを確認することだ。実際にこれまでこの方法を通じて、ジェームズ・ウェッブは複数の系外惑星の大気圏で明瞭な酸素、二酸化炭素、水蒸気の存在を確認した。しかし、これだけでは不十分だ。実は酸素、二酸化炭素、水蒸気は宇宙空間でもかなりありふれた成分だからだ。いずれも生命活動の主要な材料として使われるが、これらの成分が存在するからといって、そこに100%生命体が存在すると断言することはできない。しかし、生命活動以外では決して説明できない成分を確認できれば話は変わる。そして天文学者たちは、K2-18bでまさにそのような成分を探す試みを行ったのだ。
昨年、天文学者たちはジェームズ・ウェッブのNIRSpecのような赤外線スペクトル分析装置を活用して化学成分を分析した。この装置は0.6から5.3μmの範囲でスペクトル分析が可能だ。これを通じて当時の研究では、ジメチルスルフィド（DMS）という化学成分の信号を検知したと主張した。これは植物性プランクトンが生命活動を通じて作り出す代表的な成分だ。惑星全体が海で満たされた系外惑星から、プランクトンが作る主要な成分が検出されるとは！ これが事実なら、地球外プランクトンを発見したのではないかと期待できる。
しかし昨年の分析において、この信号の有意性はわずか2.4シグマ程度だった。統計的に偶然である可能性が60分の1ほどあるという意味だ。5シグマの基準には程遠い不確実な信号であった。また、スペクトルをどのような方式で分析するかによって結果も大きく変わったため、依然として多くの疑問を残す結果だった。
結局、研究陣はジェームズ・ウェッブの別の装置で追加観測を行った。それが今回発表された結果だ。今回の観測では、より波長の長い中赤外線スペクトルを観測するMIRI装置で6〜12μmの範囲の観測を行った。その結果、今回はDMSだけでなく、ジメチルジスルフィド（DMDS）までより鮮明に検出された。どちらの分子も地球の生命活動と非常に深い関わりがある。DMSは海の微生物、プランクトンから作られる。DMDSはさらに多様で、バクテリア、カビ、動植物など様々な生命体が作る。DMDSはニンニクのような香りを出す分子で、食品香料にも使われる。
今回の追加観測によると、その信号の有意性は3シグマに達する。確かに昨年の分析に比べてより鮮明だが、限界もある。ジェームズ・ウェッブの観測領域では、DMSとDMDSともにスペクトルに残す特徴が非常に似ている。そのため、正確に両者の含有量がどれくらいかを定量的に切り分けて話すことは難しい。
今回の発見で特に驚くべきことは、両分子の含有量が非常に高く出たことだ。地球でも生命活動を通じてDMSは存在するが、非常に不安定で急速に分解されて消えてしまう。そのため地球大気でのDMS濃度はそれほど高くない。ところが今回の論文を見ると、K2-18bの大気では地球より何千倍も高いレベルでDMSが検出された。DMSがすぐになくなる反応性の高い成分であることを考慮すれば、K2-18b惑星で何かが絶えず休まずにDMSを補充するメカニズムが働いていると考えるべきだ。
ただし、地球に比べて何千倍も高いレベルのDMSを維持するには、この惑星の海ではプランクトンが爆発的に繁殖し、満ちていなければならないだろう。非常に遠い宇宙で、また別の宇宙人天文学者が我々の地球とK2-18b惑星の両方を観測しているとしたら、おそらく彼から見れば、むしろ我々の地球よりもK2-18bの方が生命体存在の可能性がはるかに高く、確実な場所に見えるかもしれない。それに比べ、地球は数千倍も弱い信号が微かに出ているだけなので、生命体のいない場所だと誤解するかもしれない。
前回の最初の観測に続き、今回の2回目の観測を通じて信号の有意性が3シグマまで上がったことは非常に興味深い。しかし、まだ100%確信はできない。結局5シグマを超えるさらに強力な信号が確認されてこそ、初めて皆に認められる。そのために研究陣は再びジェームズ・ウェッブの時間を借りる計画だ。MIRIを通じて中赤外線領域で少なくとも1〜3回、ほぼ1日を超える追加時間の間、観測を進める必要がある。
もちろん、今回の発見に懐疑的な視線がないわけではない。一部の天文学者は、以前に彗星や星間塵の中でもDMSが検出されたという結果を挙げる。これは、DMSが地球のように微生物を必要とする複雑な生命活動を通じてのみ生成されうるという既存の観点から大きく外れるものだ。確かに彗星や塵の雲のような場所では、生命活動を期待することは困難だからだ。
しかし、こうした批判に対し研究陣は、彗星の表面や塵の雲はそもそも海を持つ惑星と環境が異なるため、公平な比較対象にはなり得ないと明かした。彗星の表面や星間塵の雲は、強烈な紫外線や宇宙放射線にそのままさらされた環境であるため、より極端な高エネルギー光にさらされる可能性があり、系外惑星の海とは全く異なる非生物学的な化学反応が起こる可能性がある。それに比べ、地球よりはるかに重力が強く、水素大気で覆われた海を持つ惑星であれば、こうした極端な化学反応を期待することは難しいかもしれない。むしろ地球外プランクトンの活動でDMSが満たされていると見る方が合理的だというのが今回の研究陣の主張だ。
また一部では、そもそもこの系外惑星が中心に従えている星自体が、太陽より小さく矮小であることが問題ではないかと指摘する。このような矮小な星のそばで適度な星の光を受けるためには、惑星は星にもっと密着していなければならない。この惑星の公転周期がわずか33日しかないのもそのためだ。しかしこうなると星に近すぎるため、星の表面で爆発するフレアの危険にさらされる可能性が高い。特に質量の小さな星はより乱暴で騒がしく進化するため、さらに危険だ。結局フレア一発で惑星の大気圏はすぐに剥ぎ取られてしまう可能性があるため、むしろ生命が住みにくい可能性がある。だがこれに対し研究陣は、すでに何度も観測しており、この惑星はその過酷な環境でも生き残った、適度な水素大気で覆われた海を持つ惑星、すなわち「ハイセアン惑星」であるという事実が検証されたと主張した。
現在までの結果だけを見れば、K2-18bは中心星から適度な距離のハビタブルゾーンにあり、惑星全体が海で覆われているように見える。そしてさらに、大気中から非常に高い含有量のDMS、DMDSが検出された。我々の知る限り、現在までこの分子を作る方法は微生物の生命活動だけだ。面白い点は、この系外惑星から酸素が検出されなかったことだが、これはむしろこの系外惑星の状態が、何十億年前の地球と非常に似ている可能性を示唆している。酸素がないということは、まだこの惑星で光合成が始まっていないからかもしれない。地球でも植物の光合成が本格的に始まるずっと前には酸素がほとんどなく、微生物のDMSだけが放出されていた。つまり、K2-18bはまさに今、生命が爆発的に芽生えつつある、生命誕生の極初期段階を経ている可能性がある。
そしてまさにこの点で、今回の発見はより魅力的だ。よく地球外生命体を発見するといえば、人類以上に高度に進化した複雑な地球外生態系を期待する。しかし遠くないうちに我々が本当に地球外生命体を発見したとしても、そんな複雑な生命体が見つかる可能性は非常に低い。代わりに宇宙には、はるかに単純なレベルにとどまる生命体の方がはるかに多いはずだ。我々の地球も同様だ。
地球では数で見れば人間より微生物が圧倒的な絶対多数だ。もし宇宙人科学者が地球のどこかに不時着して地球の物質を一すくい持ち上げれば、その中には微生物しかいないだろう。宇宙人は地球が微生物の支配を受ける世界だと判断するかもしれない。同様の論理が宇宙にも適用されないだろうか。我々が宇宙のどこかで適当に宇宙物質を一すくい持ち上げ、偶然生命体が一緒に捕獲されたなら、その形態は微生物のような原始的な姿である可能性が非常に高い。つまり、極めて科学的に見たとき、我々が最も先に出会う可能性が高い存在の姿が微生物に近いという点で、今回の発見はまさにその規定の順序をそのまま辿っているような感じを与える。まさにその点で、今回の発見は我々をよりときめかせる。
これまで我々が地球外生命体の存在をただオープンエンディング（結論を出さない）にせざるを得なかった最も重要な理由は、そもそも何を根拠に、何を基準に生命の存在有無を判断すべきか、その基準自体がまだ合意されていなかったからだ。生命活動の指標と見なせる「バイオシグネチャー」を先に定めなければ、その後系外惑星に本当にその信号があるのかないのか分析が可能だ。そしてついに我々は、何をバイオシグネチャーと定義すべきかについて有意義な議論ができる段階に達した。ようやく我々は、地球外生命体の存在可能性を単なるSF的な想像ではなく、科学的なデータを基に語ることができる本格的な宇宙生物学の時代に突入している。
参考
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/adc1c8
筆者チ・ウンベは？ 猫と宇宙を愛する。幼い頃「銀河鉄道999」を見て、宇宙の美しさを伝えるという夢を持つようになった。現在、延世大学銀河進化研究センターおよび近宇宙論研究室で銀河の相互作用を通じた進化を研究しており、講演や執筆など多様な科学コミュニケーション活動を行っている。『サム（Some）に乗る天文台』、『一日中宇宙を考える』、『星、光の科学』などの著書がある。