宇宙科学I (文科生)

惑星系の誕生・系外惑星・Astrobiology

土井靖生

2019/12/6,1320

古典的標準モデルの詳細

原始惑星の衝突・合体成長
- 雪線より内側で小型の地球型惑星形成(岩石、鉄が主成分)
- 雪線より外側は氷も加わるため、より大きな固体惑星形成

雪線 (snow line)：太陽からの輻射により塵表面の氷が昇華する境界

巨大ガス惑星の形成 ( $\sim 1$ 千万年)
- $\geq 5 \sim 10 \mathrm{M}_{\oplus}$ に達すると周囲の円盤ガスを取り込んで加速度的に成長

<span style="font-size:16px;position:relative;top:-50px">[理科年表](https://www.rikanenpyo.jp/top/tokusyuu/toku2/index.html)</span>

古典的標準モデルの詳細

数百万年後に原始惑星系円盤消失
- 原始惑星の合体・成長のタイムスケール $\propto (軌道長半径)^3$
  (運動速度 $\times$ 円盤密度)
- 外惑星は原始惑星の合体・成長が遅く、惑星形成前にガス円盤が消失
大量のガスを伴わない氷惑星の形成 (約1000万年 $\sim$ 10億年)

円運動をするガス円盤から形成されるため、惑星の軌道はほぼ円軌道となる。

<span style="font-size:16px;position:relative;top:-50px">[理科年表](https://www.rikanenpyo.jp/top/tokusyuu/toku2/index.html)</span>

古典的標準モデルの既知の問題点

メートルの壁
- 微惑星サイズが10cm $\sim$ 1m程度になると中心星に急激に落下(メートルサイズ@1auなら100年で中心星に落下)
惑星落下問題
- ガス円盤内で惑星が形成されると、円盤ガスとの相互作用により中心星に落下
水星・火星形成問題
- 数値シミュレーションによれば、火星付近には地球より大きなサイズの惑星が出来てしまう。水星より内側にも多数の微惑星が出来る。
惑星形成の時間スケール
- 木星で既に形成に1千万年以上かかる。天王星や海王星は形成にかかる時間が太陽系年齢を越えてしまう！？

地球の温室効果ガスによる気候の安定化
<二酸化炭素>

火山などにより大気中に供給、海水中のイオンと反応して炭酸塩として海底に沈殿
$\to$ プレートテクトニクスにより地球内部に還る(ただしこのループには数十万年かかることに注意)
- 気温上昇 $\to$ 雨水によるミネラルの海への供給
  $\to$ 海水中のイオンとの反応による二酸化炭素の減少
  $\to$ 温室効果低下
- 気温低下 $\to$ 海へのミネラルの供給低下
  $\to$ 二酸化炭素が大気に蓄積
  $\to$ 温室効果上昇

「負のフィードバック」がかかり、気候が安定化。

温室効果の暴走の例: 金星

二酸化炭素のフィードバックには<液体の水・陸地(水の循環)・プレートテクトニクス>が必要
- 金星にはいずれも存在しない
金星にはプレートテクトニクスが無いと考えられる
- 水による潤滑の不足
金星は大気中二酸化炭素が地球大気の20万倍存在
地表面の平均気温は $470^{\circ}\mathrm{C}$
二酸化炭素による温室効果の認識は金星大気の研究から

ガリレオ衛星

<span style='font-size:16px;position:relative;top:-50px'>木星の4大衛星(ガリレオ衛星: Io, Europa, Ganymede, and Callisto)のイメージ ([Image Credit:NASA/JPL/DLR]('https://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA01299'))</span>

木星の4大衛星(ガリレオ衛星: Io, Europa, Ganymede, and Callisto)のイメージ (Image Credit:NASA/JPL/DLR)

イオ：活発な火山活動により表面は溶岩に覆われる
- 地球外で初めて観測された活火山
エウロパ：一面の氷と無数の赤いひび割れ
- 木星磁場との相互作用による液体の存在の確認
- ナトリウムイオンやマグネシウムイオンの溶け込んだ導電性の “海水”(塩や硫酸塩 $\mathrm{SO_4^{2-}}$ )

エンセラダスのプリューム

氷の割れ目からのガスと固体微粒子の噴出
カッシーニ探査機によるガス成分の直接観測
- 2015年10月28日
- 水蒸気90%, 二酸化炭素5%, 有機分子1%程度
- 氷に加え、ナトリウムやカリウムを含む固体微粒子
  $\gets$ 岩石と液体の水との反応による供給
- シリカ $(\mathrm{SiO_2})$ の存在
  $\gets$ 岩石と水との高温反応により生成
- メタンやアンモニア等の還元的分子も存在し、硫酸イオン $(\mathrm{SO_4^{2-}})$ はみられない $\to$ 還元的な分子の供給
  - 2017年4月には水素の検出を発表

木星や土星の氷惑星(エウロパやエンセラダス)の氷の下の海に生命は存在可能か

潮汐加熱による海の存在
海底熱水噴出孔による熱
還元性の鉱物の二酸化炭素による酸化エネルギーの利用
- メタン菌によるメタン生成反応 $\mathrm{4H_2 + CO_2 \to CH_4 + 2H_2O}$

地球の深海底の熱水噴出孔に見られるメタン菌や細菌(JAMSTEC)

メタンと太陽光による生命維持の可能性

地球上の光合成: $\mathrm{H_2O + CO_2 → [CH_2O] + O_2}$
- 水を太陽光で酸素と水素に分解、水素と二酸化炭素により有機物を生成。
- 有機物を酸素で燃やし、水と二酸化炭素に戻すことで太陽光エネルギーを取り出せる。
太陽光によるメタン $(\mathrm{CH_4})$ の分解
$\to$ アセチレン $(\mathrm{C_2H_2})$ と水素 $(\mathrm{H})$ が生成
アセチレンを食べて水素を呼吸する生命！？

地球の水・炭素・窒素の含有量

宇宙の元素組成：水素、ヘリウム、酸素、炭素、ネオン、窒素、マグネシウム、ケイ素、鉄、硫黄、…
水を作る水素と酸素、生命を形作る炭素や窒素は宇宙には豊富に存在
惑星に取り込まれるためには、円盤ガス中でダスト(固体微粒子)上に凝縮する必要あり
- 円盤ガスを大量に取り込めるのは巨大惑星のみ
- cf. 地球には水素は非常に少なく、ヘリウムもほとんど含まれていない
氷ダストの凝縮は小惑星帯の外(約3au:雪線以遠)
二酸化炭素などの炭素化合物やアンモニアなどの窒素化合物が凝縮出来るのは天王星軌道( $\sim 20$ au)よりも外側

水を持ち込むその他のアイディア

雪線の移動
- (形成直後の原始惑星系円盤は高温 $\to$ やがて冷える)
- 初期の原始惑星系円盤はガスが豊富なため、中心星からの光が遮られて雪線は地球軌道よりも内側にあった
- ただし炭素・窒素まで凝縮させるのは困難
雪線の内側でも、ダストの内部に守られて少量の氷が存在し、岩石惑星に取り込まれると考える研究者も居る

バイオマーカーの成因1

地球上の光合成: $\mathrm{H_2O + CO_2 → [CH_2O] + O_2}$
- 水を太陽光で酸素と水素に分解、水素と二酸化炭素により有機物を生成。
- 有機物を酸素で燃やし、水と二酸化炭素に戻すことで太陽光エネルギーを取り出せる。
メタン菌によるメタン生成反応: $\mathrm{4H_2 + CO_2 \to CH_4 + 2H_2O}$
- 海の存在
- 海底熱水噴出孔による熱
- 還元性の鉱物からの水素の供給
- 二酸化炭素による水素の酸化エネルギーの利用

バイオマーカーの成因2

酸素 $(\mathrm{O_2})$ ・オゾン $(\mathrm{O_3})$ : 紫外線による水 $(\mathrm{H_2O})$ の分解で生成可能
- 水素は軽く、大気からすぐに失われてしまう。
メタン $(\mathrm{CH_4})$ : 巨大ガス惑星なら水素が大気中に存在。炭素との科学反応で生成可能
両者が共存することは難しい
- 水素やメタンの存在するガス: 還元的
- 酸素の存在するガス: 酸化的

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