金属

Jun 02, 2023

マックス・プランク太陽系研究所および化学研究所とゲッティンゲン大学の科学者らが今回発見したように、比較的大量の重元素を含む星は、金属が乏しい星に比べて複雑な生命の出現に好ましい条件を提供していないことが判明した。 。チームが示したのは、星の金属性が、その惑星が自らを保護するオゾン層で取り囲む能力とどのように関係しているのか。 これにとって重要なのは、星がさまざまな波長範囲で宇宙に放出する紫外線の強度です。 この研究は、宇宙望遠鏡で居住可能な星系を探している科学者たちに、この研究が特に有望である可能性がある場所に関する重要な手がかりを提供する。 それはまた、驚くべき結論を示唆している。宇宙が老化するにつれて、新しい惑星での複雑な生命の出現に対してますます不親切になる。

遠く離れた恒星を周回する居住可能な惑星や、さらには人が住む惑星を探す中で、研究者らはここ数年、これらの世界のガス層にますます注目するようになった。 観測データは大気の証拠を示していますか? おそらく、地球上ではほぼ生命体の代謝産物として生成される酸素やメタンなどのガスも含まれているのでしょうか? 来年、そのような観測は新たな限界に押し上げられるでしょう。NASA のジェームス ウェッブ望遠鏡は、超海王星のような巨大ガス惑星の大気の特徴を明らかにするだけでなく、はるかに暗い分光信号を初めて分析することも可能になります。岩石惑星の大気から。

Nature Communications に掲載された今回の研究は、数値シミュレーションの助けを借りて、系外惑星大気のオゾン含有量に焦点を当てています。 地球と同様に、この 3 つの酸素原子の化合物は、細胞にダメージを与える紫外線 (UV) 放射線から惑星の表面 (およびそこに住む生命体) を守ることができます。 したがって、オゾンの保護層は、複雑な生命の出現にとって重要な前提条件です。 マックス・プランク太陽系研究所の科学者で、今回の研究の筆頭著者であるアンナ・シャピロ氏は、「惑星が保護的なオゾン層を形成するためには、星がどのような性質を持っていなければならないのかを理解したいと思った」と基本的な考え方を説明する。

科学ではよくあることですが、このアイデアは以前の発見によって引き起こされました。 3年前、マックス・プランク太陽系研究所率いる研究者らは、太陽の明るさの変化を数百の太陽に似た星の明るさの変化と比較した。 その結果、これらの星の多くからの可視光の強度は、太陽の場合よりもはるかに大きく変動します。 「強度に大きなピークが見られました」と、3年前の分析と今回の研究の両方に携わったアレクサンダー・シャピロ氏は言う。 「したがって、太陽もそのような強度のスパイクが可能である可能性は十分にあります。その場合、紫外線の強度も劇的に増加するでしょう。」と彼は付け加えた。 マックス・プランク太陽系研究所所長で両研究の共著者であるサミ・ソランキ氏は、「だから当然、これが地球上の生命にとって何を意味するのか、他の星系の状況はどうなっているのか、と疑問に思った」と話す。

系外惑星が周回することが確認されているすべての星の約半数の表面の温度は、摂氏約 5,000 度から約 6,000 度の範囲にあります。 したがって、研究者らは計算において、このサブグループに注目しました。 表面温度は約 5,500 度で、太陽もその 1 つです。 「地球の大気化学において、太陽からの紫外線放射は二重の役割を果たします」とアンナ・シャピロ氏は説明します。彼女の過去の研究関心は地球の大気に対する太陽放射の影響に焦点を当てていました。 個々の酸素原子および酸素分子との反応において、オゾンは生成および破壊されます。 長波 UV-B 放射線はオゾンを破壊しますが、短波 UV-C 放射線は中層大気中に保護オゾンを生成するのに役立ちます。 「したがって、紫外線が系外惑星の大気にも同様に複雑な影響を与えている可能性があると仮定するのは合理的でした」と天文学者は付け加えた。 正確な波長が非常に重要です。

そこで研究者らは、星が発する紫外線を構成する波長を正確に計算した。 彼らは初めて、金属性の影響も考慮しました。 この特性は、星の構築材料中のより重い元素（天体物理学者によって単純かつやや誤解を招きやすいように「金属」と呼ばれています）に対する水素の比率を表します。 太陽の場合、鉄原子ごとに 31,000 個以上の水素原子が存在します。 この研究では、鉄含有量がより低い星とより高い星も考慮されました。

第二段階として、研究チームは、計算された紫外線放射が、これらの星の周囲を生命に適した距離で周回する惑星の大気にどのような影響を与えるかを調査した。 生命に優しい距離とは、惑星の表面で適度な温度（液体の水としては暑すぎず、寒すぎず）を許容する距離のことです。 そのような世界について、チームは親星の特徴的な紫外線が惑星の大気中でどのような処理を開始するかをコンピューター上で正確にシミュレーションした。

惑星大気の組成を計算するために、研究者らは酸素、オゾン、その他多くのガスを制御するプロセスと、それらと星からの紫外線との相互作用を非常に高いスペクトル分解能でシミュレートする化学気候モデルを使用した。 このモデルにより、系外惑星のさまざまな状態を調査し、過去 5 億年間の地球の大気の歴史と比較することができました。 この期間に、大気中の酸素含有量が高く、オゾン層が確立され、地球上の陸上生命の進化が可能になりました。 「地球とその大気の歴史には、系外惑星にも当てはまる可能性のある生命の進化に関する手がかりが含まれている可能性があります」と、この研究に携わったマックス・プランク化学研究所のマネージング・ディレクターであるジョス・レリーベルト氏は言う。

シミュレーションの結果は科学者にとって驚くべきものでした。 全体として、金属の少ない星は、金属が豊富な星よりも多くの紫外線を放出します。 しかし、オゾンを生成する UV-C 放射線とオゾンを破壊する UV-B 放射線の比率は、金属量にも大きく依存します。金属の少ない星では、UV-C 放射線が優勢となり、高密度のオゾン層が形成されます。 金属が豊富な星の場合、主に UV-B 放射があり、この保護エンベロープははるかにまばらです。 「予想に反して、金属に乏しい星は生命の出現にとってより好ましい条件を提供するはずだ」とアンナ・シャピロ氏は結論付けた。

この発見は、居住可能な系外惑星の兆候を求めて膨大な数の星をくまなく調べるイーサのプラトン計画など、将来の宇宙ミッションに役立つ可能性がある。 26 台の望遠鏡を搭載したこの名を冠した探査機は、2026 年に宇宙に打ち上げられ、主に生命に適した距離で太陽に似た恒星の周りを周回する地球に似た惑星に焦点を当てます。 このミッションのデータセンターは現在、マックス・プランク太陽系研究所に設置されています。 「私たちの現在の研究は、プラトンがどの星に特別な注意を払うべきかについて貴重な手がかりを与えてくれます」と、同研究所のマネージングディレクターであり、今回の研究の共著者であるローラン・ギゾン氏は言う。

さらに、この研究は、宇宙が老化するにつれて、生命にとってますます敵対的になる可能性が高いという、ほとんど逆説的な結論を導き出した。 金属やその他の重元素は、数十億年の寿命の終わりに星の内部で形成され、星の質量に応じて、星風または超新星爆発として宇宙に放出され、次世代の建築材料となります。星の数。 「したがって、新たに形成される各星には、以前の星よりも多くの金属が豊富な構成材料が利用可能です。宇宙の星は、世代が進むごとに金属が豊富になってきています」とアンナ・シャピロは言う。 新しい研究によると、宇宙が老化するにつれて、恒星系が生命を生み出す確率も減少するという。 しかし、命の探求は絶望的なものではありません。 結局のところ、系外惑星の主星の多くは太陽と同様の年齢を持っています。 そしてこの星は、少なくとも 1 つの惑星に複雑で興味深い生命体を宿していることが実際に知られています。

- このプレスリリースはもともとマックス・プランク・ゲゼルシャフトのウェブサイトに掲載されたものです。