[論文レビュー] Earth Similarity Index and Habitability Studies of Exoplanets

Madhu Kashyap Jagadeesh|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 34被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、半径、密度、脱出速度、表面温度の4つの物理的パラメータを用いて系外惑星の居住可能性を評価するための地球類似度指数（ESI）と火星類似度指数（MSI）を導入する。太陽系のデータを用いて観測可能な平衡温度と観測不能な表面温度の関係を導出し、その結果、ESI > 0.8 を満たす系外惑星が20個同定され、地球に類似した特徴を示す。また、極限生物の可能性を考慮した火星に類似した惑星の評価のため、MSIを提案する。

ABSTRACT

Study of exoplanets has been of considerable interest for Astronomers, Planetary Scientists and Astrobiologists. Analysis of huge planetary data from space missions such as CoRoT and Kepler is directed ultimately at finding a planet similar to Earth- the Earth's twin, and looking for potential habitability. The Earth Similarity Index (ESI) is defined to find the similarity with Earth, which ranges from 1 (Earth) to 0 (totally dissimilar to Earth). ESI can be computed using four physical parameters of a planet, namely radius, density, escape velocity and surface temperature. The surface temperature entering surface ESI is a non-observable quantity and what we know is only equilibrium temperature of exoplanets. We have established a relation between surface and equilibrium temperatures using the data available for the solar system objects to address the difficulty in determining surface temperature. From the ESI analysis, we have found 20 Earth-like exoplanets with ESI value above 0.8, which is set as the threshold. We are also interested in Mars-like planets to search for planets that may host the extreme life For example, methane-specific extremophile life form metabolism, for which a new approach, called Mars Similarity Index (MSI) is introduced. MSI is defined in the range between 1 (present Mars) and 0 (dissimilar to present Mars) and uses the same physical parameters as that of ESI. We introduced another new approach to study the potential habitability of exoplanets based on Cobb-Douglas Function, multi-parametric function. This did not yield any encouraging results.

研究の動機と目的

• 地球に類似した系外惑星を、定量的指標である地球類似度指数（ESI）を用いて同定すること。
• 表面温度は直接観測できないという課題に対し、太陽系のデータを用いて平衡温度との関係を確立することで、表面温度の推定を試みること。
• ESIの類似性フレームワークを火星に類似した惑星へ拡張し、極限生物の居住可能性評価のための火星類似度指数（MSI）を導入すること。
• 多変数のコブ・ダグラス関数を用いて居住可能性を評価するが、そのアプローチは明るい結果をもたらさなかった。
• 地球および火星に物理的に類似した系外惑星を体系的にランク付けする手法を提供し、宇宙生命科学の優先順位を支援すること。

提案手法

• 半径、密度、脱出速度、表面温度の4つの物理的パラメータを用いて地球類似度指数（ESI）を計算する。
• 太陽系天体のデータを用いて、観測可能な平衡温度（観測可能）と観測不能な表面温度（非観測可能）との間の統計的関係を確立する。
• 導出された温度補正を用いて、系外惑星の表面温度を推定し、正確なESIの計算を可能にする。
• ESIと同様の4つのパラメータを用い、1（火星に類似）から0（火星に類似しない）にスケーリングされた火星類似度指数（MSI）を導入する。
• 居住可能性をモデル化するための多変数コブ・ダグラス関数をテストするが、明るい結果は得られなかった。
• ESI > 0.8 を閾値として設定し、地球に類似した生命が存在する可能性が最も高いと仮定して、地球に類似した系外惑星を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既知の系外惑星と地球との間の物理的類似度は、地球類似度指数（ESI）でどの程度定量的に測定できるか？
• RQ2 表面温度は系外惑星において直接観測できないが、どのようにして推定できるか？
• RQ3 太陽系における平衡温度と表面温度の関係を、系外惑星へ外挿できる程度はどの程度か？
• RQ4 類似性の概念を火星に類似した惑星へどのように拡張し、極限生物の可能性を評価できるか？
• RQ5 多変数のコブ・ダグラス関数は、系外惑星の居住可能性を評価する信頼できるフレームワークを提供するか？

主な発見

• 本研究では、地球類似度指数（ESI）が0.8を超える系外惑星が20個同定され、地球に類似した物理的特徴を示していることが判明した。
• 太陽系のデータを用いて、平衡温度と表面温度の相関関係を確立し、系外惑星の表面温度を推定することが可能になった。
• 極限生物の可能性を評価するための補完的指標として、火星類似度指数（MSI）が導入された。
• 居住可能性モデル化にコブ・ダグラス関数を適用したが、明るい結果は得られず、最終的にその手法は採用されなかった。
• ESIに基づくランク付けにより、追加観測および宇宙生命科学的研究の優先順位を付けるリストが得られた。
• 補正された表面温度を用いることで、地球に類似した系外惑星を同定するESIの正確性が著しく向上した。