「生命のない地球」を約50億年シミュレーション―系外惑星の生命探索に比較モデル
2026年11月11日 00:53
ワシントン大学などの研究チームが、生物活動を組み込まずに地球の内部から海洋、大気までの進化を追う計算モデルを構築した。地球形成から約5000万年後を出発点に、形成後50億年までを計算し、生命のいない岩石惑星が長期間にわたって液体の水を保つ条件を調べた。
研究論文は2026年9月18日、The Planetary Science Journalに掲載され、大学が11月2日に成果を発表した。将来の宇宙望遠鏡「Habitable Worlds Observatory（HWO）」による生命探索に向け、生物活動の有無によって惑星の見え方がどう変わるかを比較する基盤となる。
■惑星の内部と大気を一体で計算
研究を主導したのは、ワシントン大学の博士課程でこの研究に取り組み、現在はカリフォルニア大学リバーサイド校の博士研究員を務めるサマンサ・ギルバート＝ヤニゼク氏だ。モデルは、核、マントル、地殻、海洋、大気の間で熱や物質が移動する過程を結び付けている。
基盤には、惑星進化を計算するソフトウエア「VPLanet」を用いた。大学によると、ロリー・バーンズ准教授の研究室で開発されてきた従来のモデルは、核、マントル、地殻と恒星放射を扱っていた。今回の研究では、表層と大気を加え、惑星内部の変化が地表の環境に及ぼす影響を追えるようにした。
炭素循環にはFoley氏の2015年の研究を取り入れ、マントル、プレート、表層にある炭素の量を追跡した。火山活動による二酸化炭素の放出、岩石の風化、プレートの沈み込みなどを通じて、炭素が各領域を移動する仕組みを計算する。
深部の水循環には、Seales氏とLenardic氏による2020年の研究を採用した。マントルと表層の間で水が移動する過程に、蒸発と降水の扱いを組み合わせている。各計算段階では海面での平衡条件に基づき、表層の炭素と水を大気と海洋に配分する。
こうした循環は、惑星の気候にも関わる。大気中の二酸化炭素が温室効果を変え、気温の変化が風化の進み方に影響し、その結果として二酸化炭素の量も変わる。モデルは、太陽が時間とともに明るくなる過程も含め、これらの相互作用を同時に追っている。
計算は、マグマの海が固まった後の地球を想定して始めた。全期間にわたってプレートテクトニクスが働く条件を置き、生物活動を組み込まない環境の変遷を調べた。到達点の形成後50億年は、現在からおよそ5億年先に当たる。
■産業革命前の地球の19項目と比較
研究チームは、形成後45億年時点の計算結果を、産業革命前の地球を代表する19項目の値と比較した。対象には、大気中の二酸化炭素と水蒸気の分圧、地表温度、地表のアルベド（反射率）、海洋質量、上部マントルの温度と熱流量などが含まれる。
モデルの内部に関する初期条件や定数は、地球の観測値を再現するよう最適化した。雲の扱いについても、産業革命前の地表温度に合うよう調整している。核やマントルなど変化の遅い性質には、現在の観測値を比較対象として用いた。
論文の結果節によると、19項目のうち17項目が、設定した測定不確かさの範囲内に収まった。残る海水中の溶存二酸化炭素濃度とpHは、その範囲をわずかに外れた。研究チームは、海洋化学を簡略化した仮定が、この差に関係している可能性を挙げている。
計算された地表温度は45億年時点で286.9ケルビンとなり、液体の水を維持できる状態に達した。研究チームは、今回の条件では、生物による気候調節を組み込まずに、地球に似た長期的な居住可能性を維持する進化経路が得られたとしている。ここでいう居住可能性とは、惑星表面に液体の水を保てる環境を指す。
バーンズ氏は大学の発表で、10年以上にわたる研究を経て、地球の核、マントル、表層、大気の性質を同時に再現するモデルに到達したと説明した。地球を対象とする較正が、今後の系外惑星シミュレーションへの信頼につながるとの期待を示している。
■反射光に現れる生命の影響を比較
惑星の大気や地表の状態が分かれば、放射伝達計算を使い、遠くから観測した際の光の特徴を予測できる。研究チームは今回、モデルから得た大気の状態を使って、惑星が反射する光の合成スペクトルを作成した。
対象とした波長は、紫外線から近赤外線に及ぶ0.2〜2.0マイクロメートルだ。形成後45億年時点の非生物的な地球モデルと、現実の地球を代表する大気のデータを使ったモデルを、同じ条件で比較した。
非生物的なモデルの大気は、窒素を背景に、二酸化炭素と水蒸気を主要な温室効果ガスとして扱っている。一方、現実の地球を代表するスペクトルには、酸素やオゾンなどによる吸収の特徴が現れる。大気組成の違いが、遠方から得られる光の情報にどう表れるかを示した形だ。
この比較は、惑星内部の進化から観測される光までをつなぐ実証例となる。内部の温度や物質循環が変われば、大気や海洋の状態も変化する。その積み重ねを反射光スペクトルへ結び付けることで、惑星がたどった歴史も観測解釈の手掛かりになる。
研究チームが目指すのは、生命の働きを仮定せずに説明できる惑星環境を広く調べることだ。そうした比較対象を整えることが、生命探索における「帰無仮説」、すなわち観測された特徴を非生物的な過程で説明する仮説の具体化につながる。
■生命兆候を惑星環境の中で読み解く
系外惑星の生命探索では、大気の分光観測が重要な役割を担う。惑星が恒星の手前を通過する際、大気を通った光に残る吸収の特徴から、含まれる分子を調べる。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）は、ハビタブルゾーンにある岩石惑星TRAPPIST-1 eなどで、こうした透過スペクトルを取得している。
生命の存在を示唆する化学的・物理的な特徴は、生命兆候と呼ばれる。候補となるガスには酸素、メタン、亜酸化窒素などがある。酸素には水などの光化学反応、メタンには岩石と水の反応、亜酸化窒素には雷など、生物活動以外の生成経路もあるため、量や他のガスとの組み合わせ、恒星からの放射環境を併せて考える必要がある。
酸素とメタンの共存は、代表的な検討対象だ。地球では生物活動が両者を供給し、化学反応によって失われる分を補っている。惑星内部から供給される物質や大気中の反応まで含めて考えることが、こうした組み合わせの解釈に役立つ。
観測解釈の難しさを示す例が、系外惑星K2-18 bだ。ケンブリッジ大学の研究チームは2023年、JWSTの観測から硫化ジメチル（DMS）の存在を示唆する弱い信号を報告した。2025年4月には、別の観測装置のデータから、DMSまたは二硫化ジメチル（DMDS）の存在を支持する証拠を報告している。DMSは地球では海洋の微生物活動と深く関わる物質だ。
その後の解析では、解釈する分子やデータ処理の選び方が結論を左右することが示された。スティーブン・シュミット氏らによる2023年の観測データの再解析では、DMSを支持する統計的に有意な証拠は得られなかった。ルイス・ウェルバンクス氏らは、プロピンなど別の分子を含むモデルでも、観測を同程度か、それ以上によく説明できると報告した。
MITのサラ・シーガー氏らも、2025年にPNASに掲載した論文で、JWSTによる生命兆候ガスの確定を難しくする要因を論じている。観測ノイズに加え、大気モデルによる解釈の違いや惑星環境の不確実性を挙げ、JWSTが今後の詳しい調査につながる候補を選び出す役割に期待を示した。
■次世代望遠鏡HWOに向けた発展
今回の研究が特に念頭に置くのは、NASAが構想を進めるHWOだ。NASAによると、近傍の恒星を回る地球サイズの惑星を直接撮像し、紫外線、可視光、近赤外線の観測で大気の組成や生命兆候を調べることを目指している。
HWOのような望遠鏡では、惑星が反射する恒星の光を分析する。今回作成した0.2〜2.0マイクロメートルの合成スペクトルは、その将来の観測を想定したものだ。異なる惑星環境がどのような吸収の特徴を生むかを予測する研究は、観測結果の解釈と望遠鏡の設計の双方を支える。
モデルは、恒星の進化や惑星の初期条件を変えて調べるための基盤にもなる。研究チームは今後、初期の二酸化炭素と水の量、核やマントルの温度、内部の放射性元素の量などを変え、地球に似た岩石惑星で生じ得る環境の幅を探る方針だ。恒星の種類や惑星までの距離を変える研究も想定している。
さらに、メタンなど生命兆候候補ガスの非生物的な生成、大気散逸、窒素循環、雲の扱いを取り入れる改良が課題となる。地球の風化速度を基準にする際には、植生や微生物の影響も考慮が必要だ。こうした過程を検討しながら、生命のいない惑星の比較例を増やしていく。
ギルバート＝ヤニゼク氏は大学の発表で、今回のモデルが、居住可能だが生命のいない惑星と、生命のいる惑星の見え方を理解する助けになると述べた。また、HWOのような望遠鏡の目標には、何世代もの科学者による数十年の研究が必要だとし、地球外生命を探る問いを次の世代へ引き継いでいく思いを語っている。
元記事: Scientists Built ‘Lifeless Earth’ Simulation to Stop JWST From Crying Wolf on Alien Life