宇宙のどこかに生命が存在する可能性を探るうえで、探索対象となる適切な惑星を見つけるには、惑星の大きさが重要です。
すべての惑星は、生まれたばかりの恒星を取り巻く物質の円盤の中で、競争的な共食いの過程を経て形成されると考えられています。小さな塵の粒が衝突して成長し、近くの物質を取り込んでいきます。大きくなるほど、周囲の物質を取り込む能力が高まり、成長は加速します。
惑星が、中心となる恒星内部の核融合炉が点火する前に、地球質量のおよそ10倍を超える大きさに膨らむと、膨大な量のガスを集積できるようになります。そして木星や土星のようなガス惑星へと成長します。そのような惑星は、生命を探すのに適した場所では決してありません。
一方、あまりに小さく質量も小さい天体（たとえば水星や地球の月）には、大気を保持するだけの重力がありません。
一般に、惑星の質量が大きいほど、獲得して維持できる大気の質量も大きくなります。
これは、惑星の大気の質量が気候に直接影響するため重要です。したがって、恒星の周囲にある「ハビタブルゾーン」の位置は、対象となる惑星の質量によって決まります。
質量が大きく大気も厚い惑星では、温室効果がより強くなる可能性があります。そのような惑星は、より小さな惑星なら凍結してしまう距離でも、居住可能である可能性が高いでしょう。
同様に、小さく大気の薄い惑星は、より質量の大きな惑星の海が沸騰するような距離でも、居住可能である可能性があります。
磁場
生命を支えられるほど十分に厚い大気を獲得し保持するには、惑星に十分な質量が必要ですが、話はそれだけではありません。
とりわけ若い時期の恒星は、荒々しい存在です。物質を宇宙空間へ放出し、惑星に絶えず放射線を浴びせます。
ある程度は、それが生命にとって不可欠です。地球が太陽から受け取るエネルギーがなければ、光はなく、地球は凍りついた氷の球になっていたでしょう。
しかし、光という恵みには呪いも伴います。恒星から吹き出す風は惑星の大気を引きはがし、何もない状態にしてしまうことがあります。
幸い、地球の生命は、強い磁場によって太陽風の最悪の気まぐれから守られています。
太陽風が地球の磁場にぶつかると、その周囲へとそらされ、惑星内部を保護します。最も強力な太陽嵐や、最もエネルギーの高い粒子だけが、その保護を突き抜けることができます。
地球の磁気シールドを突き抜けた荷電粒子の大群は両極へ降り注ぎ、壮麗なオーロラ・ボレアリス（北極光）とオーロラ・オーストラリス（南極光）を生み出します。
では、地球に磁場がなかったらどうなるでしょうか。状況は深刻です。最も近い惑星の隣人である火星には強い磁場がなく、太陽系の初期の若い時代から、ほぼずっと保護されていなかったと考えられます。その保護の欠如は火星に甚大な代償をもたらしました。かつて厚かった火星の大気は、ほとんど何も残らないほど削り取られてしまったのです。
磁場の存在は、惑星が若い時期にとりわけ重要です。その頃は、中心となる恒星もまだ若く活動的で、勢いよく物質を宇宙空間へ放出しています。恒星は年を重ねると通常は穏やかになりますが、それでも惑星から気体の覆いをゆっくりとはぎ取る力を保っています。
したがって、生命探査の有望な対象と見なされるには、惑星は大気を守る強力な磁気シールドを備えていなければなりません。しかし、地球のような惑星は、そうした保護を十分に強く、十分に長く提供できる磁場を、どのように維持しているのでしょうか。
プレートテクトニクス
地球の磁場は、地球の外核深部にある巨大なダイナモによって生み出されています。このダイナモは、地球内部のその領域にある対流によって駆動されると考えられています。しかし、ここに問題があります。惑星内部の対流を何十億年もの間、どうすれば維持できるのでしょうか。
地球内部は非常に高温で、その主な原因は内部に閉じ込められた放射性元素の崩壊です。地球は地殻を通してその熱をゆっくりと宇宙空間へ放出しているため、内部の表層部分は核の近くよりも低温です。
対流を始動させて維持するには、二つの場所の間に大きな温度差が必要です。したがって、地球のマントルにある対流は、地殻のすぐ下の部分が核に隣接する部分よりもはるかに低温であることによって生じています。
しかし、ここには奇妙な点があります。地球にプレートテクトニクスがなければ、マントル上層部はこれほど効率よく冷えることができません。上部マントルの温度が高くなると、その領域と地球深部との温度差は小さくなり、やがて対流は止まるでしょう。
そして、その対流がなければ、地球のダイナモは停止し、磁場は弱まって消失するでしょう。
火星で起きたのは、まさにこれだと考えられています。当初、赤い惑星の内部は、ある程度のテクトニクス活動が起きるほど十分に高温だった可能性があります。実際、火星の地殻には、岩石に凍結して残った古代の磁場の証拠があります。
しかし、火星は地球より小さいため、内部の熱をはるかに速く宇宙空間へ失いました。やがて、対流を維持できないほど冷え、磁場は弱まっていきました。
その時点で、太陽風が大気をはぎ取り始める一方、地表の化学反応も大気を岩石の中へ取り込んでいました。岩石を循環させ、磁場を駆動するテクトニクスがなかったため、火星はゆっくりと、今日私たちが見る姿へと変わっていったのです。
地球の磁場を維持することに加え、プレートテクトニクスは、特に 今日私たちが呼吸している大気の形成など、ほかにも多くの理由で重要です。
水がなければ
テクトニクス活動が地球の生命にとって重要であることは明らかであり、地球外生命の探査においても重要な基準となるでしょう。しかし一部の研究者は、実際の事情はかつて考えられていた以上に複雑かもしれないと指摘しています。
長年にわたり、複数の研究が、水がなければ地球には プレートテクトニクスが存在しなかっただろう と示唆してきました。この説は 今も激しい議論の的です。
一般的な考え方では、水は潤滑剤として働きます。衝突するプレートの間で摩擦に打ち勝つのを助けるか、あるいは地球のマントル内で流動性を高め、動きやすくし、そこでの対流を促します。
水がなければ、プレートテクトニクスを支えるには、惑星は地球よりかなり質量が大きくなければならないかもしれません。地球がもっと乾燥した状態で形成されていたなら、プレートの動きはとうの昔に止まり、マントルの対流も止まって、私たちの大気も火星の大気と同じように失われていた可能性があります。
この説によって、私たちは出発点に戻ります。
生命そのものには水が必要ですが、惑星が大気を保つには磁場が必要です。
磁場を維持するには、惑星にダイナモが必要です。
ダイナモを持つには、プレートテクトニクスが必要です。
そして、プレートテクトニクスを維持するには、水が必要です。
この記事は、 The Conversationとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムがその見解を支持することを意味しません。
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著者：ジョンティ・ホーナーは、サザンクイーンズランド大学の副学長上席研究員です。ベリンダ・ニコルソンは、クイーンズランド州トゥーンバを拠点とするサザンクイーンズランド大学の博士課程候補者です。ブラッド・カーターは、サザンクイーンズランド大学で物理学と天文学を教え、研究を行っています。
画像：NOAAのGOES-13およびGOES-15衛星が2014年3月31日に撮影し、2014年4月1日に公開した画像には、東太平洋、米国の中心部、東大西洋にある低気圧系が写っています。ロイター。