天文学者たちは長年、宇宙のどこかに地球のような惑星が存在するのか、そしてそこに生命が存在するのかという疑問を抱いてきました。これまでのところ、その答えは私たちの宇宙ではなく、SFの世界からしか得られていません。NASAの最新の観測衛星であるウェッブ宇宙望遠鏡は、他の恒星を周回する岩石惑星とその姿をこれまでにない視点で捉え、その答えに一歩近づくでしょう。
「水蒸気と水の海を持つ岩石惑星が存在することを証明できたらどうなるか想像してみてください」と、MITの物理学および惑星科学教授であるサラ・シーガー氏は述べた。「それは、私たちが今いる場所からすると、非常に大きな前進です。まるで、定量化すらできないようなものです。」
ウェッブ望遠鏡は銀河から恒星まであらゆるものを研究しますが、天文学者たちはこれを太陽系外惑星の研究に活用することを待ち望んでいます。ウェッブ望遠鏡はこれらの太陽系外惑星の大気の詳細を明らかにし、どのような元素やガスが存在するかを特定します。ハッブル宇宙望遠鏡などの従来の望遠鏡と比較して、科学者たちはウェッブ望遠鏡が大きな進歩をもたらすと期待しています。
「これは画期的なことだ」と、ウェッブ望遠鏡とハッブル望遠鏡を運営する宇宙望遠鏡科学研究所の天文学者、ネスター・エスピノーザ氏は語った。
ハッブル宇宙望遠鏡は、海王星や木星と同程度のサイズの、より大きなガス惑星の大気中の成分を検出することができます。一方、ウェッブ望遠鏡は、地球に似た太陽系外惑星の大気を初めて分析する可能性があります。
「地球サイズの惑星の大気を検出できるという事実だけでも、他の太陽系外惑星の姿を探求する上で大きな一歩となります」とエスピノザ氏は述べた。「これは革命的な装置になるでしょう。」
天文学者が最初の太陽系外惑星を発見したのは、今から30年前の1992年のことでした。現在では、太陽以外の恒星を周回する惑星は5,000個以上存在することが分かっており、それぞれが未知の謎に満ちた、他に類を見ない異星世界です。発見された惑星の多くは、水星、金星、地球、火星といった太陽系の内側の惑星と同様に、岩石で構成されています。しかし、岩石惑星の大気を観測することは科学者にとって依然として困難であり、水などの生命にとって重要な構成要素が存在するかどうかを含め、惑星の表面に関する重要な情報を明らかにする機会を奪っています。
系外惑星の大気組成を推定するために、ウェッブ宇宙望遠鏡は透過分光法と呼ばれる手法を用いる。系外惑星が軌道上でウェッブ宇宙望遠鏡と恒星の間を通過すると、恒星の光の一部が遮られる。系外惑星に大気がある場合、その光はウェッブ宇宙望遠鏡の高感度鏡に到達する前に、惑星に含まれるガスによって吸収される。天文学者は、大気を通過した光からどの波長が失われているかを特定することで、存在するガスの種類を推測することができる。
天文学者はこれまでの望遠鏡でこの技術を何十回も使用してきたが、ウェッブは赤外線観測も行うため、主に可視光を検出するハッブルよりも多くのガスを識別できる。
「Webbの最も魅力的な点は、その幅広い波長範囲だと思います」と、マックス・プランク天文学研究所の天文学者、トーマス・ミカル＝エヴァンス氏は述べた。「赤外線領域では、水だけでなく、メタン、二酸化炭素、一酸化炭素、アンモニア、シアン化物といった分子による吸収特性が数多く存在します。Webbは、これまで私たちが検出できなかった波長領域を真に開拓し、これまで感度を持っていたよりもはるかに多くの化学種を検出できるようになるでしょう。」
天文学者たちがウェッブ望遠鏡を通して観測を熱望している太陽系外惑星群の一つが、トラピスト1系です。トラピスト1系には、木星よりわずかに大きく、太陽の半分の温度の赤色矮星を周回する7つの岩石惑星が含まれています。特に興味深いのは、水が液体の状態で存在できるハビタブルゾーンにある惑星です。
これらの太陽系外惑星に大気が存在することが検出されれば、天文学者はこれまで不可能だったことが可能になります。それは、私たちの太陽系の岩石惑星と、地球外の太陽系の岩石惑星を比較することです。「これまでは夢のようなことでした」とエスピノサ氏は言います。
しかし、大気の組成を決定するのは言うほど簡単ではないかもしれません。
「データにはっきりと現れる強いスペクトル特性を持つ大気組成が得られたのは、ある意味幸運と言えるでしょう」とミカル＝エバンス氏は述べた。天文学者は事前に大気の組成を予測できないため、金星や土星の衛星タイタンのような雲や霞が、ウェッブ望遠鏡による大気の組成推定能力を低下させるかどうかは分からない。
ウェッブがこれらの惑星のいずれかに大気を発見した場合、次のステップは、その構成物質と、それが表面について何を教えてくれるかを理解することです。例えば、ウェッブが小さな岩石惑星の大気中に水蒸気を発見した場合、それは表面に液体の海が存在し、新しい水分子を安定的に供給していることを意味します。これは、恒星の紫外線によって水蒸気分子が分解されるためです。岩石惑星は水素を宇宙空間に漂わせるには小さすぎるため、酸素は別の元素と反応して別の化合物を形成するため、大気中の水蒸気を補充するには、大量の水の貯蔵庫が必要です。
もちろん、ウェッブが水蒸気や、生命の兆候となる可能性のあるガス、特に二酸化炭素、メタン、アンモニアを検出した場合、必然的に「宇宙人を発見したのか」という疑問が生じることになるだろう。
この記事のためにインタビューした天文学者たちは皆、そのような状況下で生命が存在する可能性はあるが、ウェッブ氏は説得力のある証拠を提示できなかったと警告した。
「ノーとは言い切れませんが、多くの理由から（生命の発見は）非常に可能性が低いと思います」とエスピノーザ氏は述べた。「たとえデータの中にそのシグナルが含まれていたとしても、それが生命であるというコンセンサスを形成するには、非常に複雑な作業が必要になるでしょう。」
このような合意を得るには、信号が単なるデータ上のランダムな変動ではなく、現実のものであるという証拠が必要です。さらに、科学者たちは、生命を想起させずにガスの存在を説明するいかなる代替的な説明も排除しなければなりません。
「太陽系外惑星に関する情報は限られているため、すべてを精査することはできないというのが私の意見です」とシーガー氏は語った。
シーガー氏はこの仮説的なシナリオを直接体験しています。2020年、彼女と他の科学者たちは金星の大気中にホスフィンを発見したと報告しました。ホスフィンは生命以外の起源を持つものがほとんどないため、大気中に大量に存在することは生命の存在を示唆する可能性があります。彼らの研究に対し、複数の科学論文が、データにホスフィンが本当に含まれていたのか、あるいは非生物学的なプロセスによって存在する可能性があると提唱したのか疑問視しました。他の科学者たちはこれらの主張に欠陥があることを発見し、議論は今も続いています。
「私たちが何も知らない惑星で、これほど複雑な議論を展開するなんて想像もできません」とシーガー氏は述べた。「何らかの兆候は見つかるかもしれませんが、人類がどんな手段を使っても証明できるようなものではありません。」
さらなる証拠の獲得については、ウェッブ計画の後に計画されている望遠鏡に委ねられることになるだろう。「2040年代は、おそらく生命の痕跡を真剣に探査する上でより現実的な時期でしょう」とミカル＝エヴァンス氏は述べた。
ウェッブ宇宙望遠鏡は、私たちが宇宙で孤独であるかどうかという問いに答えることはできないだろう。しかし、他の恒星の周りの世界を研究することで、ウェッブ宇宙望遠鏡は宇宙における私たちの位置や太陽系の形成過程について新たな理解をもたらしてくれるだろうとシーガー氏は強調した。「ウェッブ宇宙望遠鏡は、本当に興味深い発見をもたらすでしょう」と彼女は語った。
「20年前の天文学者にこのことについて尋ねたら、きっとSFだと思ったでしょう」とエスピノザ氏は言う。「しかし、これは現実の科学なのです。」
ニック（@NickYoungPER）は、ミシガン州アナーバーを拠点とするフリーランスのサイエンスライターです。彼はアメリカ科学振興協会（AAS）のマスメディアフェローシップを通じてサイエンスライティングの道を歩み始めました。
