我々はどこから来たのか？ジェームズ・ウェッブ望遠鏡が異世界と生命の起源への手がかりを明かす
ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、太陽系全体にわたる系外惑星、大気化学、気候システムに関する我々の理解を革命的に変えつつあり、地球外生命の可能性と我々の宇宙の起源について前例のない洞察をもたらしている。
我々はどこから来たのか？
2021年のクリスマスに打ち上げられたジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）は、すでに我々の太陽系内およびはるか遠方の惑星に関する理解を変えつつある。多目的な衛星天文台であるJWSTは、宇宙空間で地球から150万km離れた軌道位置から澄んだ視界を得ている。このことは、地球の霞んだ大気を通して宇宙を覗かなければならない地上望遠鏡に対する大きな利点となっている。
JWSTはハッブル宇宙望遠鏡（HST）の5倍の光を集め、その分光能力を用いて遠方の天体からの微弱な信号を検出することを可能にしている。
「ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡以前は、水、一酸化炭素、ナトリウムなど、ごく少数の分子しか観測できなかった」と、フランスのボルドー大学の天体物理学者Jérémy Leconteは述べた。
Previous missions and observations from Earth have discovered thousands of exoplanets (those outside our Solar System) and astronomers are already taking advantage of JWST's unique capabilities to study the building blocks of life in the Universe.Alien skies
今年初め、ジェームズ・ウェッブ望遠鏡により、天体物理学者たちは700光年離れた太陽に似た恒星の周囲を回る系外惑星を観測することができた。高温の木星型惑星WASP-39bの大気を通過する恒星の光は、天文学者に異星の空の化学を見る手がかりを与える。
地球からでは、望遠鏡は系外惑星上の二酸化炭素を観測するのに苦労する。なぜなら、惑星大気中のCO2を通して見なければならないからである。JWST天文台は、WASP-39bの空において、二酸化炭素を含むより広範な分子を検出することを可能にする。大気中の二酸化炭素の存在は、その惑星に有機生命が存在することを示唆する可能性がある。
「これはまさに画期的なことだ」とLeconteは述べた。「我々は、我々に近い恒星の周囲の惑星を本当に見る必要がある。これがそれらの大気を特徴づける最良の機会である。」
特に彼は、40光年離れた矮星TRAPPIST-1を公転する7つの岩石惑星、とりわけそれらの大気に関心を持っている。これらの惑星はハビタブルゾーンに存在しており、それは水が液体のまま存在するのに適した温度を持つことを意味する。
通常、科学者たちが系外惑星の大気について予測を行う際、彼らはそれが均質であると仮定する。つまり、至るところで同じ条件が存在すると考える。しかし、これが真実である可能性は低い。
Leconteは、液体水の存在など既知の特性を持つ模擬惑星でテストを実行するために、3次元シミュレータを開発した（Horizon助成によるWHIPLASHプロジェクトの一環として）。模擬惑星を用いてこれらのテストを実行することは、数学の本の巻末にある解答を持っているようなものである。テストを実行し、モデルが提供する答えを既知の特性と比較することができる。
今後数年で、新たな宇宙望遠鏡を用いて発見されるものを含め、数千もの太陽系外惑星が発見される可能性が高い。科学者たちは、自分たちのモデルが正確な洞察を提供できるかどうかを知りたがっている。遠く離れた太陽系外惑星に関する疑問への答えの一部は、太陽系内の身近な場所、すなわち4つの最大の惑星である木星、土星、天王星、海王星にあるかもしれない。
ジュノー周回機ミッションは木星の壮観な眺めを提供し、カッシーニ宇宙船は土星に関する詳細を明らかにした。以前、海王星と天王星をフライバイしたボイジャー2号宇宙船は、それらの大気の画像を撮影した。
「我々はこれらの惑星から、大規模な気象循環パターンである渦巻く嵐のシステムやキャンディカラーの縞模様など、素晴らしい画像を撮影してきた」と、University of Leicesterの惑星科学者リー・フレッチャーは述べた。「しかし、それは特定の時点におけるそれらの大気と気候の単なるスナップショットにすぎない」
4つの巨星
気候と気象パターンを理解するため、フレッチャーはGIANTCLIMESと呼ばれるプロジェクトを率いて、絶えず変化するそれらの大気のパズルの散らばったピースを組み合わせた。彼らは地球上の望遠鏡からの過去の観測を使用して、何十年にもわたる4つの巨大惑星の自然な周期を理解した。この研究は、JWSTによるこれらの世界の待望の新しい地図のための基礎を準備した。
天王星と海王星は太陽系で最も遠い惑星であり、これらのいわゆる「氷巨星」は依然として神秘的な雰囲気を保っている。それらは主に水素、ヘリウム、およびメタンのような他のガスで構成されている。
「（これら2つの惑星で）全く新しい発見の可能性は非常に大きい」とフレッチャーは述べた。「より研究が進んでいるガス巨星（木星と土星）と比較して、これらの氷巨星の大気の仕組みを十分に把握していない」
メタンの雪
一方、土星は大規模な嵐のシステムを持つことで知られており、海王星ではメタンの吹雪がある可能性がある。気象パターンの鍵となる変数は常に温度であり、遠くの海王星と天王星では極寒の低温である。
天王星の成層圏上部の大気温度の初の地図の出版により、すでに進歩が見られている。これは、驚くべき季節的な循環システムと極上の明るい斑点を明らかにした。
また、しばしば軸が傾いている巨大惑星は、極めて長い季節を持つと予測されている。「我々は地球と同様に、季節が大気温度や雲、降水を調節するのを目にする」とフレッチャーは述べた。「しかし、季節ではない規則的な自然の周期も大気中に見られる。我々は巨大惑星の気象を理解し始めたばかりである」
また、海王星の大気は顕著な嵐と気象活動を示したが、チームは、この惑星が夏の間に温暖化するどころか冷却したように見えるという発見に驚いた。
GIANTCLIMESは、JWSTの到着を支援する役割を果たしている。新しい望遠鏡はすでに木星を観測しており、近い将来、天王星と土星に目を向け、その後2023年初頭に海王星を観測し、惑星間の比較を可能にする。
「4つの世界で気候がどのように機能するかは、まさに我々が理解しようとしている核心である」とフレッチャーは述べた。これは、木星、土星、天王星、海王星で検出された気候変動の自然な周期について、より多くの洞察を提供することが期待されている。それらの極端な現象は、地球自身の気候と気象パターンについてさらに多くを教えてくれるかもしれない。
地球外生命
4つの巨星の研究は、系外惑星研究にも関連している。「我々の太陽系には多様な惑星大気の集まりがあり、それらは他の恒星の周りで見られるかもしれないもののテンプレートを形成している」とフレッチャーは熱意を込めて述べた。
「おそらくこれらの系外惑星のターゲットも同様の自然な周期を示すかもしれず、最終目標は、太陽系内の惑星だけでなく、すべての惑星の気象予測や気候予測を行おうとすることである」とフレッチャーは結論付けた。
JWSTは、科学者が太陽系の遠方の惑星の空をよりよく見ることを可能にするだけでなく、何光年も離れた世界も見ることを可能にする。そのうちのいくつかは、地球外生命に有利な保護大気と地球型の条件に囲まれている可能性がある。
「天体物理学で急速に進んでいる2つの分野がある。それは系外惑星と宇宙論であり、それは結局のところ神と生命の問題、つまり宇宙はどこから来て、我々はどこから来るのかという問題に行き着く」とLeconteは述べた。
Originally published in Horizon MagazineImage credit: fikretim / Freepik (thematic illustration).Tags: James Webb Space Telescope, JWST discoveries, exoplanet atmospheres, alien life detection, TRAPPIST-1 planets, WASP-39b carbon dioxide, Uranus Neptune weather, giant planet climates, JWST exoplanet spectroscopy, origin of life astronomy