概要

宇宙の中で、この地球は生命が宿る星であり、植物の光合成によって酸素がうみだされ、酸素を豊富にたたえています。これによって、 動物など多様な生命が地球に存在できています。自然科学研究機構では、2015年4月にアストロバイオロジーセンターをたちあげ、 天文学とさまざまな科学との融合による「宇宙における生命」研究を推進しています。今回、このアストロバイオロジーセンターの成田憲保 特任助教(自然科学研究機構・国立天文台(併任))と、同機構・分子科学研究所の正岡重行 准教授らの共同研究グループは、 生命が必ずしもいなくても、酸素を豊富に保持する地球型惑星が存在しうることを理論的に明らかにしました。 今回の研究成果は、これまで行われてこなかった天文学と分子科学の融合的研究としても注目されるもので、 さまざまな学問分野の連携によるアストロバイオロジー研究の取り組みが重要であることを示しています。 本研究は英科学誌サイエンティフィック・レポート(Nature系姉妹誌)の9月10日号に掲載されます。

 

これまで、惑星に酸素がある条件として、惑星に光合成を行う生命が存在していることが必須条件のように考えられてきました。 現在、宇宙における生命探索が盛んに行われ始めていますが、太陽系外惑星に生命の兆候を探す際に、酸素大気があれば必ず生命がいる という考えから、酸素をバイオマーカーとして生命探索を行うことが考えられてきました。しかしながら、非生物的な化学反応が太陽系外惑星 の大気形成に与える影響は、これまであまり考えられてきませんでした。今回、研究チームは、太陽系の地球型惑星や衛星などにも豊富に存在 している酸化チタンの光触媒反応によって、非生物的に酸素が発生することに着目しました。その上で、地球に類似した環境の惑星を仮定した 場合に、惑星表層の0.05%程度(地球でいえば北海道の面積以下)で酸化チタンの光触媒反応が継続すると、現在の地球と同程度の酸素大気が 発生・維持されることが推定できました。また、さまざまな質量・温度の恒星を主星として仮定し、その光強度による惑星での酸素発生可能量 を見積もったところ、最もこのメカニズムの反応が起こりにくい低温度星の場合でも、惑星表層のおよそ3%で酸化チタンの光触媒反応が起こると、 非生物的に酸素大気が発生・維持されることが推定されました。つまり、 光合成を行う生物が存在しなくても、太陽系外の生命居住可能惑星に地球と同程度の酸素大気が発生してしまう可能性が十分にある ことを明らかにしました。

研究チームを率いた成田特任助教は、「将来の天文観測によって太陽系外惑星に生命が存在するかどうかを研究するためには、何が生命存在の決定的証拠となるのかについて、さまざまな学問分野の知見を取り入れたアストロバイオロジー研究の取り組みが重要です。今回の研究によって、酸素大気があれば必ず生命がいるというわけではないことがわかり、あらたなバイオマーカーも検討していく必要がでてきました。また、本研究とは独立に、系外惑星の環境でも光合成生物による酸素発生型光合成が可能なのかどうかについてや、先に非生物的に発生した酸素を保持する星で生命が後から誕生することが可能なのかどうかについても、今後のアストロバイオロジー研究として明らかにしていかなければなりません」と言っています。

 

今回の発見のポイントと意義

  1. 太陽系の地球型惑星や衛星などにも豊富に存在している酸化チタンの光触媒反応によって、太陽系外の生命居住可能惑星に、生物が存在しなくても地球と同程度の酸素大気が発生してしまう可能性があることを発見(従来考えられてこなかった新しい酸素大気発生メカニズムを提唱)
  2. 太陽系外惑星に生命の兆候を探す際に、酸素大気があれば必ず生命がいるというわけではないことを示唆(酸素大気が生命の偽検出になりうることを発見)
  3. 将来の天文観測によって太陽系外惑星に生命が存在するかどうかを研究するためには、何が生命存在の決定的証拠となるのかについて、さまざまな学問分野の連携によるアストロバイオロジー研究の取り組みが重要(アストロバイオロジー研究の必要性)

 

説明

1) 酸化チタンの光触媒反応:

水、酸化チタン、電子受容体、紫外線の4つがそろうと、非生物学的に酸素が発生することが知られています。

本多ー藤嶋効果

 

2) 酸化チタンによる酸素発生可能性の見積もり:

地球に類似した環境の惑星を仮定し、酸化チタンによる酸素発生可能量を見積もったところ、表層の0.05%程度でこの反応が起こると、非生物的に現在の地球と同程度の酸素大気が発生・維持されることがわかりました。

 酸化チタンによる酸素発生可能量の見積もり
地球に類似した環境の惑星を仮定

  • 有効表面積:1.28×1014m2(地球の円盤面積)

地表が割合fで酸化チタンで覆われており、その表層に水が存在して光触媒反応が起こると仮定

  • 紫外光強度 (280-400nm) :~40Wm-2

地球(夏至付近の波照間島)におけるUV強度の実測値を仮定

  • 電子受容体:海水中で十分な量が供給されると仮定
  • 酸化チタンの反応効率:1フォトンあたり2.5%の酸素発生 実験に夜先行研究より(Matsumura et al., 1997)
  惑星表層の0.05%程度*で酸化チタンの 光触媒反応が継続すると
現在の地球と同程度の酸素大気が発生・維持される

   *:およそ70,000km2 程度(北海道より小さい面積)

3) 酸化チタンによる酸素発生可能量の見積り

主星(地球にとっての太陽のような恒星)のスペクトル型(質量に相当)をさまざまに変えた場合でも、 そこから発せられる光によって、非生物的に酸素大気が得られることがわかりました。

 酸化チタンによる酸素発生可能量の見積もり
主星のスペクトル型(質量に相当)を変えた場合

      • さまざまなタイプの構成の紫外光放射強度計算:

    天文学で広く使われているPhoenixモデルを仮定

      • 地球と同程度の酸素大気を発生・維持するのに必要な割合fを計算:

    fが1より十分に小さな場合、酸素大気が発生・維持されうる。

    • 得られた結果:
最もこの効果が起きにくい低温度星の場合でも、惑星表層のおよそ3%でこの反応が起こると、 非生物的に酸素大気が発生・維持される。
どんなスペクトル型の主星の場合でも、酸化チタンの光触媒反応で
非生物的に酸素大気が発生・維持されうる。
アストロバイオロジーセンターとは?

前世紀末の1995年に太陽系外の惑星が初めて発見され、その後多くの系外惑星の発見の報が続きました。当初は間接的な発見でしたが、ついには木星クラスの系外惑星の撮像に成功しました。撮像の成功により、その光から惑星の大気の成分を解析し、生命の存在まで確認できるようになる可能性があります。さらに、2024年の完成を目指し国立天文台が国際協力のもと建設を進めている次世代の30m望遠鏡(TMT)が稼働すれば、水をたたえた「第二の地球」の発見が現実味を帯びてくるでしょう。

あと10年もすれば、太陽系外の惑星に生命の兆候を観測できる可能性があります。こうした状況を受け、天文学、宇宙物理学、生物学、地球惑星科学、化学などの英知を結集して、地球外の生命の探査、生命発生のなぞの解明、生命発生の普遍性と特殊性を明らかにするなどの「アストロバイオロジー」(宇宙における生命研究)という学際的研究分野が創成されつつあります。

自然科学研究機構は、アストロバイオロジーセンターを2015年4月に発足させました。この取り組みにより、異分野融合によりこの分野を発展させ、太陽系外の惑星探査、太陽系内外の生命探査、それらの探査のための装置開発を推進しています。

論文情報

掲載誌:Scientific Reports
タイトル: Titania may produce abiotic oxygen atmospheres on habitable exoplanets
著者:Norio Narita 1,2,3, Takafumi Enomoto3,4, Shigeyuki Masaoka3,4,Nobuhiko Kusakabe2
所属 1. Astrobiology Center, 2: National Astronomical Observatory of Japan, 3: SOKENDAI (The Graduate University for Advanced Studies), 4: Institute for Molecular Science
掲載予定日:2015年9月10日 (解禁日 9月10日18時 日本時間)
掲載論文: http://www.nature.com/articles/srep13977