ペイルブルードットを超えてConBio2017 “アストロバイオロジー：地球と宇宙での生命探査”
18:03-18:27、2017年12月7日@神戸ポートピアホテル

東京大学大学院理学系研究科 物理学専攻 須藤 靖

ボイジャー１号による太陽系内惑星撮像
n 1990年2月14日@40AU

n カールセーガンが地球の画像をPale Blue Dotと命名

asahi.com 2013年9月13日

ペイル・ブルー・ドット土星から見た地球
n

土星探査機カッシーニが撮影した地球と月
n 2013年7月20日（日本時間）：2万人がこちらに手を振っているバイオシグニチャー

太陽系外惑星発見史
２０１７年１１月

６２１

２７７４

３７０４

２０１６年６月時点では８重惑星系：太陽系のみ、７重惑星系：３、６重惑星系：２、５重惑星系：１５、４重惑星系：４９、３重惑星系：９９、２重惑星系 ３００個以上

私が２００２年頃に繰り返し示していた系外惑星研究のロードマップ
巨大ガス惑星発見の時代 (1995～）n 惑星大気の発見 (2002)
n 惑星大気の精密分光観測による組成決定
n 惑星赤外線輻射の検出
n 惑星可視域反射光の検出
n リングの発見
n 衛星の発見n 地球型惑星の発見
n ハビタブル（居住可能？）惑星の発見
n バイオシグニチャー（生物存在の証拠）の同定
n 地球外生命の発見n中心星の質量[太陽質量]

ハビタブル惑星候補

n

ハビタブルゾーン＝水が液体として存在できる温度領域n 中心星から受ける放射量で定義

中心星からの距離[天文単位]

Livio & Silk: Physics Today, 2016 March地球サイズのハビタブル惑星の存在確率
nGK型星を公転する地球半径の１〜２倍の惑星
n ケプラーのトランジット惑星検出数から、観測的選択効果を補正して推定
n 11±4 % (地球上での太陽フラックスの１〜４倍のもの)
n 5.7+2.2-1.7 % (公転周期が２００〜４００日のもの)

Petigura, Howard & Marcy: arXiv:1311.6806

天文学と生物学での「生命」のズレ
n 生物学者による生命の定義はかなり原理的
n 代謝、自己増殖、外界との隔離（個別の生命）n ダーウィン的進化を行う自己維持的化学系

n 天文学者が期待する生命の定義は実用的
n 遠方からの観測によって区別できるような実用的なものでないと役に立たない（大規模生命システム）n ただし太陽系内探査は別（衛星地下の生物）
n （できれば十分条件に近い）生命を宿す環境の必要条件を探りたいn （非生物環境では実現しにくい）熱平衡からの極端なずれ(Lederberg 1965, Lovelock 1965)

バイオシグニチャー：生物が存在する兆候n

何を見れば生命があると考えらるのか？
n 生物由来の大気成分（酸素、オゾン、メタン）
n 植物のレッドエッジ
n 知的生命体からの電磁波

n

天文学観測(リモートセンシング)が唯一の手段

Vesto Melvin Slipher (1875-1969)
レッドエッジをバイオシグニチャーとして使う先駆的試み“spiral nebulae” （今で言う銀河）の赤方偏移を発見
n ハッブルによる宇宙膨張の発見に本質的寄与
n“Observations of Mars in 1924 madeat the Lowell Observatory: IIspectrum observations of Mars’’
PASP 36(1924)261

Starshade project：地球型惑星を直接見る

n宇宙望遠鏡の５万km先に中心星を隠すオカルター衛星をおき、惑星を直接撮像（プリンストン大学 J.Kasdinらのグループ)

リモートセンシング
我が地球の観測ガリレオ探査機による地球上の生命探査
n 1986年5月打ち上げ
n 1990年12月8日一回目の地球スイングバイ時に地球上の“生命探査”
n 地球には生命がいるらしい!
n 大量の気体酸素
n 植物のレッドエッジ

Sagan, Thompson,n 熱平衡から極端にずれた大気 Carlson, Gurnett & Hord:
中のメタンの存在量
Nature 365(1993)715n 狭帯域で振幅が変化する”不自然な”パルス状電波

Sagan et al. (1993): 大気分光
ガリレオ探査機の観測した地球の可視光ー近赤外スペクトル

酸素分子の吸収＠Aバンド(0.76µm)

Sagan et al. (1993): 撮像
ガリレオ探査機の観測した地球のレッドエッジ

ペルー／コロンビア

チリ
アルゼンチン

レッドエッジSagan et al. (1993): 電波観測
ガリレオ探査機の観測した地球の電波信号の時系列

ペイルブルードットを超えて
n 系外惑星は「点＝ドット」としか見えない
n 表面を直接分解できない
n 自転周期による微妙な色の変化は観測可能

地球観測衛星Terraによる植生分布地図の年次変化

http://earthobservatory.nasa.gov/GlobalMaps/

地球が３０光年先にあるとして何がどこまでわかるか？
系外惑星リモートセンシング

Ford, Seager & Turner : Nature 412 (2001) 885
n １０%レベルの日変化は検出可能
n 大陸、海洋、森林などの反射特性の違いを用いる

n

雲の存在が鍵n 太陽系外地球型惑星の天気予報の精度が本質的！

Colors of a Second Earth: estimating thefractional areas of ocean, land and vegetationof Earth-like exoplanets
ApJ. 715(2010)866, arXiv:0911.5621
Colors of a Second Earth. II: Effects of Clouds
on Photometric Characterization of Earth-likeExoplanets
ApJ. 738(2011)184, arXiv:1102.3625
n Yuka Fujii, H.Kawahara, A.Taruya, Y.Suto (Dept.

of Phys., Univ. of Tokyo), S.Fukuda, T.Nakajima(Univ. of Tokyo, Center of climate system
research), Edwin Turner (Princeton Univ.)

http://www.space.com/scienceastronomy/color-changing-planets-alien-life-100513.html

Beyond A pale
blue dot

地球は青かった？
0.08

反射率100%の場合で規格化した反射光

アフリカ大陸
ユーラシア大陸

波長0.7-0.8[μm]波長0.6-0.7[μm]
アメリカ大陸自転に伴う反射光の色の時間変動のシ
ミュレーション

波長0.5-0.6[μm]波長0.4-0.5[μm]

0.0
00.0

n

春分（3月）n

自転軸に垂直な方向から観測

時刻[hour]

24.0

Fujii et al. (2010)
n 地球観測衛星のデータを用いて計算もう一つの地球の色を解読する
雲は無視
n 中心星の光が完全にブロックできた場合n 10pc先の地球を口径4mの宇宙望遠鏡で1週間観測
n 海、土、植物、雪の４つの成分の面積比を推定
n 雲がなければ、海や植物の存在が検出可能！
n重み
つき
表面積比

系外惑星リモートセンシング

n 雲を考慮した計算では、海や藤井友香ほか(2010)

雲は検出できるが、植物は難しいという結論

厄介なことに雲の存在が地表面の情報を隠してしまう

http://earthobservatory.nasa.gov/GlobalMaps/

等方散乱近似での反射スペクトル
雪

反射率アル
ベド

大気の効果を考慮した場合
植物
土（A)

海土（B)

波長 [ミクロン]

Fujii et al. (2010)

雲の反射スペクトル：モデル依存性

地球の雲の分布を考慮した場合

雲を含む地球測光観測データから推定された地表面成分の経度分布地図

藤井友香 他（２０１１）

展望天文学から宇宙生物学へn

太陽系外惑星研究の革命的進歩
n 水が液体として存在し得る地球型惑星
n プロキシマケンタウリ（４光年先）
n ２０１８年に打ち上げ予定の衛星TESSがさらなる候補を
n いずれは、ハビタブル惑星の直接撮像、分光が可能となるn

その先には宇宙の生命探査という究極の目標が！
n リモートセンシングによる検出可能性から考えるバイオシグ

ニチャーの同定（酸素、水、オゾン、メタン、植物、核爆発）
n もちろん、最も確実なのは高度文明からの（電磁波）信号n

リモートセンシングのシミュレーションが本質的古いM型星

若いM型星

系
物は何色か
外
惑星
上の植
物の色を
予
想す
る 日経サイエンス2008年７月号も確認できる「生命存在の証拠」だ

探すとき，何色を指標にすればよいだろう

真っ黒ということも十分ありうる所）やエネルギーを得る生物も存在するが，ら地表の多様性に富んだ生態系はすべてく，太陽の光に依存している。

っか

光合成の証拠とは？

命

光合成の存在を示す証拠にはおも見に  つの種類が考えられる。 つは，光合成によって発生する酸素や，それ星が変化して生じるオゾンなどの大気中いのガス。もう  つは色で，これは緑色

外のクロロフィルなど，特定の色素が惑命星表面を覆うことを手がかりにする。

言

こうした色素探しの歴史は古い。

だ

世紀ほど前の天文学者は，火星が季節のによって明るく見えたり暗く見えたり測することを植生の季節変動によるもの蒸だろうと考えた。そして火星表面で反球射された光のスペクトルを調べ，緑色

生

植物の存在を示す証拠を見つけ出そう

ルとした。

宇

緑色を手がかりにしたこの戦略には」

る成

かいは生

底ら

恒星の型と植物の色

図は左から右へ，恒星の型が暗 →明へと並べてある。- 型星（赤 色矮星）は暗い恒星なので，地 球サイズの惑星の植物は，利用可能なあらゆる光を吸収するために黒く見えるかもしれない（すぐ右）。- 型星は若いうちは紫外光のフレアを放射するので，惑星に生息するすべての生物体は水中にいるはずだ（左から  番目）。私たちの太陽は ' 型星だ（ 番目）。

太陽よりもさらに明るい & 型星を周回する惑星では，多量の光が降り注ぐため，その多くを反射する必要があるかもしれない（ 番目）。

日経サイエンス  年  月号+%.. "2/7. !.$ #(2)3 72%. -ONDOLITHIC 3TUDIOS。

Nancy Y. Kiang

G型星

F型星

紅色細菌は植物の陸上進出以前の地球（38〜25億年前）におけるバイオシグニチャーになるか？

Sanroma et al. arXiv:1311.1145

第二の地球のシミュレーションへn

地球の観測データを用いた研究はすでに多くなされてきた (Fujii et al. 2010, 2011; Kawahara & Fujii 2010,2011; Fujii & Kawahara 2012)
n 「地球」をより一般化したシミュレーションによる観測可能性を系統的に研究すべきn

大気大循環モデルシミュレーション（現在進行中）
n 大気・表層環境（海洋、大陸、植生分布）n 中心星（温度、距離）、惑星軌道（自転、傾斜角、離心率）
n 雲の分布を含めた惑星の観測シミュレーション
n 気象、地球物理、生物、物理、天文の学際的研究
n 生物学研究者の方々の協力が不可欠な時期となっている