この宇宙に、宇宙文明はいくつあるのだろうか？

太田耕司
京都大学 大学院理学研究科宇宙物理学教室
2014年2月2日 宇宙ユニットシンポ

最初に注• 普段こういう研究を専門的にしているわけでありませんので、間違い・勘違いなど含む可能性があります。ご注意ください。
• もっと適任の方がおられると思いますが、以下の話はまだ宇宙ユニットでどなたも話されていないようなので、お引き受けした次第です。

宇宙文明• カルダシェフによる分類 (1964)
タイプＩ

惑星規模のエネルギー 10^19 erg/s（太陽からのエネルギーの10万分の１）

タイプＩＩ 恒星規模のエネルギー 10^33 erg/s
タイプＩＩＩ 銀河規模のエネルギー 10^44 erg/s
ここでは、ＩかＩＩ程度を想定

ドレイク(Drake)の方程式(1961)• 他の星と通信する（を試みる）文明レベル

R: 1年間に銀河系内で誕生する恒星の数 (10)
fp: 誕生した恒星が惑星を持つ確率 (0.5)
ne: その惑星系で生命の存在が可能となる範囲にある惑星の数 (2)fl :そのような惑星に生命が誕生する確率 (1)fi:誕生した生命が知的生命体にまで進化する確率(0.01)
fc: 知的生命体が他の星に向かって通信を行う文明を形成する確率(0.01)
L: そのような文明が存続する年数 (1万年)

ドレイクの値を使うとN=10「生活や実務に役立つ計算サイト」より

http://keisan.casio.jp/exec/user/1225113925

Ｒ 銀河系内で年間誕生する恒星数• 銀河の中で1年間に誕生する星の数• 現在の恒星数 約１０００億個• 銀河の年齢 約１００億年• ＝＞Ｒ～１０fp 惑星（系）を持つ恒星の割合？
• 約20年前まで、ほとんど不明• 1995年 ペガスス座 ５１番星に惑星発見• その後、どんどん見つかってきた系外惑星の発見数の推移

発見数

近年ケプラー衛星による発見が多い
毎年約100個発見

候補まで含めると2000-3000個

1995

2010

惑星の発見された年

発見数

どの位遠くの惑星が見つかっているか？

100光年

距離

1000光年

太陽系の惑星9

水 地星 球木星

惑星の質量（単位：木星質量）

太陽

海王星

厳密には下限値

木星質量

地球質量

惑星の軌道半径（太陽と地球の距離を1）惑星の質量（単位：木星質量）

惑星の大きさと重さ、密度

厳密には下限値

木星
天王星
地球

惑星の半径（単位：木星半径）

どんな恒星に惑星が見つかっているか？

数

１

４

太陽質量を単位とした恒星の質量

恒星のいろいろと惑星探査されている恒星

太陽

高 ＜＝ 温度 ＝＞ 低
大 ＜＝ 星の質量 ＝＞ 小

fp 惑星を持つ星の割合５％位だが、軽い惑星はまだ見つかっていない
かもしれないので まあ、一声 １０％

Fischer & Valenti 2005, ApJ 622, 1102

ne その惑星系で生命の存在が可能となる範囲にある惑星の数
系外惑星のハビタブルゾーン
恒星からの距離によって、惑星の温度が変わる
近いと、高温になって水が蒸発してしまう
遠いと、低温になって二酸化炭素が凍ってしまう（温室効果なくなる）
この中間帯を、habitable zone と呼ぶ
太陽系なら 0.97-1.4 天文単位の間
つまり、地球軌道付近だけ

太陽系の場合のハビタブルゾーン

恒星によって異なるハビタブルゾーン
重い星

軽い星

軽い恒星での惑星探査はまだこれから最近の研究では・・・
ケプラー衛星によるＦＧＫ星における惑星探査の結果よりＦＧＫ星では、約3分の1の星で、少なくとも１つの地球型のＨＺ惑星が予想される

とりあえず ne=１とする

Traub 2012, ApJ 745, 20

その他の考慮すべき点＊ Rやfpは、星の（初期）質量関数に依存
太陽型星に惑星が多いなら、恒星中の太陽型星の割合を考慮すべき＊銀河ハビタブルゾーン
銀河内でも住みやすそうなところとそうでないところがある銀河外側だと重元素量が少なく、地球型惑星形成や生命誕生には不利
銀河中心に近すぎると、星による擾乱・超新星爆発・活動銀河核の悪影響＊衛星に生命が誕生して文明を持つ可能性
木星の衛星イオのような潮汐力加熱のあるような衛星には生命があるかも＊連星系をどう勘定するか
但し、連星系にも惑星ありいずれにしても、次の要因の不定性の方が大きい！

生命要因
fl : そのような惑星に生命が誕生する確率
ハビタブルゾーンというのは、生命が誕生する可能性の高いソーンであることが定義みたいなものなので、 fl=1としよう

fi: 誕生した生命が知的生命体にまで進化する確率
これは、私には皆目わからない
とりえあず ｆi=0.01 とする

文明要因
fc: 知的生命体が他の星に向かって通信を行う文明を形成する確率
ひとたび、知的生命体が出現すれば、通信はするだろうと、楽観的に考えるとfc = 1 ではないだろうか

L: そのような文明が存続する年数
これも皆目わからない。しかも人類は未経験。
長く続くかもしれないが、意外と滅ぶのは早いかも。
まあ約１万年の実績はあると考え、とりあえずL=10,000年 とする

結局、我々の銀河系に宇宙文明はいくつあるか？
R=10, fp=0.1, ne=1, fl=1, fi=0.01, fc=1, L=10,000=>
N=100
個人的には多少楽観的かもと思いますが、多いと思う人と少ないと思う人がいそう・・・

「この」宇宙に拡張• 見えている範囲の宇宙 ということで最近見えている最遠方銀河は約１３０億光年
実際の距離は、約300億光年（約1万Ｍｐｃ）を考えてみる（宇宙背景放射までと考えても5割増。体積で約３倍）

銀河のいろいろどんな銀河に惑星や生命が？
我々の銀河

銀河
内の重元
素量

• 軽い銀河には重元素少ない＝＞ 惑星や生命があまり期待できない？
• 星形成の盛んな銀河もアブナイかも？？

軽 <= 銀河の重さ => 重Tremoniti et al. 2004, ApJ 613, 898

ちょっと脇道

昔は重元素が少なかったとはいえ、100億年前には、銀河の重元素量は現在の約半分＝＞それなりに重い銀河はその頃から惑星や生命があった？
110億年前90億年前
銀河
内の重元
素
量

銀河内の重元素量軽 <= 銀河の重さ => 重昔＜＝

今Yabe, KO, et al. 2014, MN 437, 3647

ちょっと脇道

昔は紫外線やＸ線が強かった

100億年前には、銀河内での星形成やクエーサー活動が激しくアブナイ時代だった。宇宙全体で平均すると10倍位強い。
＝＞が、効くかどうかは？？
100億年前100億年前

星形
成の
活発
さ

今

＝＞ 昔

Hopkins & Beacom 2006, ApJ 651, 142

ク
エー
サーのＸ
線
光度
密度

今＝＞ 昔

Hasinger et al. 2007

この宇宙に、宇宙文明はいくつあるのだろうか？
• ある程度以上重い銀河が、「130億光年」までにいくつあるか？
• 現在の体積
4.2x10^12 Mpc^3• Ms>0.1Ms*(金属量1/2）=> ~3x10^10 個• Ms>0.01Ms*（金属量1/4）=> ~7x10^10 個• 一声10^11個（1千億個）

Mass functionは Baldry+ 2012, MN 421, 621• 重い銀河1つでN=100軽い銀河は質量に応じてNが小さいとして、この宇宙には• N~10^121兆文明 ！？

ＳＥＴＩ：
Search for Extra-Terrestrial Intelligence
地球外知的生命探査• 他の惑星に住む知的生命体からの電波（や光）を検出できないか？
• 今のところ成功例はないが、• SKA (square kilometer array)に期待低周波電波の巨大電波望遠鏡計画（下図は想像図）

ＳＫＡによるＳＥＴＩ• Penny 2003 SETI with SKA (SKA workshop）• 地球のテレビ電波程度なら 10光年まで受信可能• 10光年までにある星 ７個（理科年表）• 13光年までにある星 2４個（同上）
１０光年
２０光年
• Gliese 581は20光年• 惑星 数は右図

5pc内近い順に
αCenBb: 地球型ぽいが、
αCen B b
表面温度が高い？
ε Eri b
GJ 674b
Gliese 876 b, c, d, e
１個
GJ 832 b

道は遠い？
• 地球のテレビ電波程度なら 10光年までなら受信可能• Ｎ＝１００ が、銀河円盤（半径5万光年として）内に一様に分布しているとすると、お互いの間隔は約１万光年• 銀河ハビタブルゾーンがあればもっと近い（2000光年とか？）• 漏れ出る電波ではなく、意図的に出す電波は検出可能かもと期待される（ビームを絞って、バンド幅を狭くすれば）

人類の文明はいつまで続くのだろうか？
Drake 方程式を逆に使って Ｌ を求めればよい

R, fp, ne, fl 天文学で研究
ne, fl, fi
生物学で研究Fi, fc
生物学？社会学？で研究＝＞
Ｎを観測から求めれば、Ｌがわかる
しかし、長い文明、短い文明あるかも？

宇宙文明・人類文明の研究ともいえるかも