最近、天文学者たちは、TRAPPIST-1と呼ばれる恒星の周りを地球サイズの惑星が7つ公転していることを発表した。そのうち3つは「ハビタブルゾーン」、つまり岩石惑星の表面に液体の水が存在する可能性が最も高い、恒星の周辺領域に位置している。近年は、ほかにも生命が存在し得る世界が発見されており、多くの人がこう疑問に思っている。これらの惑星に実際に生命が存在するかどうか、どうすればわかるのだろうか。
カリフォルニア工科大学の天文学准教授ディミトリ・マウェットが率いる系外惑星技術研究所（ET Lab）では、研究者たちが、酸素分子やメタンなど生命の兆候となるバイオシグネチャーを系外惑星で探す新たな方法の開発に取り組んでいる。これらの化学物質は、ほかの化学物質と結びつくため自然界では長くとどまらないが、それらを放出する生物のおかげで、地球には豊富に存在する。別の惑星の周辺でこの両方の化学物質が見つかれば、生命の存在を強く示すことになる。
『The Astrophysical Journal』と『The Astronomical Journal』に掲載予定の2本の新たな論文で、マウェットのチームは、高分散コロナグラフィーと呼ばれるこの新技術を、計画中の30メートル望遠鏡（TMT）で地球外生命のバイオシグネチャーを探すために利用できることを示している。2020年代後半に完成すれば、TMTは世界最大の光学望遠鏡となる。
理論モデルと実験室でのモデルを用いて、研究者たちは、この技術によって、太陽より小さく低温で、銀河で最も一般的な恒星の種類であるM型矮星の周りを回る地球型惑星から、バイオシグネチャーを検出できる可能性を示した。この方法は、NASAが提案するハビタブル系外惑星撮像ミッション（HabEx）や大型紫外・光学・赤外線サーベイヤー（LUVOIR）など、将来の宇宙望遠鏡を使えば、太陽のような恒星にも適用できる。
「この技術が理論上も実験室でも機能することを示しました。次の段階は、実際の空で機能することを確かめることです」と、2本の論文の筆頭著者の一人で、マウェット研究室の博士研究員であるジー・ワンは語る。チームは今年か来年に、ハワイのW・M・ケック天文台で装置を試験する予定だ。
この新技術は、コロナグラフ、光ファイバー一式、高分解能分光器という3つの主要要素から成る。コロナグラフは、惑星を撮像できるよう、望遠鏡で恒星の光を遮断または除去する装置だ。恒星は惑星より数千倍から数十億倍も明るいため、惑星の観測は難しい。さまざまな種類のコロナグラフが開発中で、たとえばマウェットのグループは最近、ケック天文台に新しい渦コロナグラフを設置し、初期画像を撮影した。
惑星の画像を得た後は、分光器を使ってその大気を調べる。分光器は惑星の光を分解し、酸素やメタンなどの化学物質の「指紋」を明らかにする装置だ。ほとんどのコロナグラフは低分解能分光器と組み合わせて使われる。マウェットの新技術では高分解能分光器を採用しており、いくつかの利点がある。
主な利点の一つは、不要な恒星光をさらに取り除きやすくなることだ。高分解能分光器では惑星のスペクトルの特徴がより詳細に見えるため、惑星の光を、背景に潜む恒星光と見分けて分離しやすくなる。
つまりマウェットの方法では、地球型惑星の特徴を調べるために必要と考えられていたほど、コロナグラフで恒星光を取り除く必要がない。
「この新技術では、コロナグラフにそれほど高い性能を求めません。すでに利用できる現行技術を使えるため、これは重要です」と語るマウェットは、NASAの委託を受けてカリフォルニア工科大学が運営するジェット推進研究所（JPL）の研究員でもある。「高分解能分光器を使えば、現在の地上観測法に比べて、システムの感度を100倍から1,000倍に高められます。」
高分解能分光器を使うもう一つの利点は、得られるデータが豊富なことだ。惑星大気を構成する分子についてより詳しい情報が得られるだけでなく、惑星の自転速度を明らかにし、地表の特徴や気象パターンのおおまかな地図を作れる可能性もある。「可能性は低いですが、地球型惑星の候補で大陸を探せるようになるかもしれません」とマウェットは語る。
チームの設計では、光ファイバー一式を使ってコロナグラフと高分解能分光器を接続する。意外なことに、実験室での試験で、光ファイバーにも恒星光を取り除く働きがあることがわかった。
「これはまったくの幸運な偶然でした」と、2本の新論文の共著者で、マウェットのグループに所属する全米科学財団の博士研究員、ギャレス・ルアンは語る。「思いがけないおまけです。」
次に研究者たちは、ケック天文台でこの技術を実証する。現時点では、この装置で地球型惑星の候補を調べることはできない。それには、より大型の30メートル望遠鏡が必要となる。一方、このシステムは、私たちの太陽系にはない珍しい種類も含め、より大型のガス系外惑星の大気について新たな詳細を明らかにできるはずだ。
「コロナグラフと高分解能分光器を組み合わせるこの新たな技術革新によって、最終的に地球外生命を探すための明確な道筋が見えてきました。」
