[論文レビュー] Habitability of Planets Orbiting Cool Stars

Rory Barnes, Victoria Meadows+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、寒冷なM型矮星回りの岩石惑星の居住可能性を評価し、潮汐ロックや星の活動性といった課題があるものの、知られている物理的メカニズムでは居住可能性を完全に除外できないと主張している。結論として、グリーゼ581gのような惑星——たとえ潮汐ロック状態で星の活動性の影響を受けても——大気を保ち、内部からの熱源があれば、生命が存在する障壁は存在しないと結論づけている。

ABSTRACT

Terrestrial planets are more likely to be detected if they orbit M dwarfs due to the favorable planet/star size and mass ratios. However, M dwarf habitable zones are significantly closer to the star than the one around our Sun, which leads to different requirements for planetary habitability and its detection. We review 1) the current limits to detection, 2) the role of M dwarf spectral energy distributions on atmospheric chemistry, 3) tidal effects, stressing that tidal locking is not synonymous with synchronous rotation, 4) the role of atmospheric mass loss and propose that some habitable worlds may be the volatile-rich, evaporated cores of giant planets, and 5) the role of planetary rotation and magnetic field generation, emphasizing that slow rotation does not preclude strong magnetic fields and their shielding of the surface from stellar activity. Finally we present preliminary findings of the NASA Astrobiology Institute's workshop "Revisiting the Habitable Zone." We assess the recently-announced planet Gl 581 g and find no obvious barriers to habitability. We conclude that no known phenomenon completely precludes the habitability of terrestrial planets orbiting cool stars.

研究の動機と目的

• M型矮星の周囲を回る岩石惑星が、主星に近接しているにもかかわらず居住可能であるかどうかを評価すること。
• M型矮星のスペクトルエネルギー分布（SED）が惑星の大気化学に与える影響を評価すること。
• 潮汐効果、特に潮汐ロックと同期転がりの違いを検討すること。
• ガス惑星の揮発性に富んだ蒸発残渣が、大気を失った後に居住可能世界として形成可能かどうかを調査すること。
• 惑星の回転が遅いと強力な磁気圏や星風からの遮断が不可能になるかどうかを特定すること。

提案手法

• NIRSPEC や CRIRES などの機器からのデータを用いて、テルルリック線やガスセルを用いたキャリブレーションにより、径速度（RV）検出限界を分析すること。
• 特に紫外線およびX線フラックスが光化学に与える影響を考慮し、さまざまな星のスペクトルエネルギー分布（SED）下での大気化学をモデル化すること。
• 惑星の自転、黄経、離心率のモデルを用いて、気候の安定性や運命的凍結の可能性を評価するため、潮汐効果をシミュレートすること。
• 遅い回転の惑星においてもダイナモ作用によって磁場が維持可能であるかを検証し、遅い回転体はダイナモ駆動磁場を持たないとする仮定に疑問を呈すること。
• 特にM型矮星の近軌道に位置する惑星に対して、流体力学的脱出モデルを用いて大気質量損失を評価すること。
• ナサ・アストロバイオロジー研究所のワークショップの知見を統合し、寒冷星の周囲の生命的可能性領域（HZ）の境界や基準を再評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M型矮星の生命可能性領域（HZ）に存在する地球質量の惑星が、星の変動性や活動性の影響を受けても、信頼性を持って検出可能だろうか？
• RQ2 M型矮星のスペクトルエネルギー分布が、大気化学やバイオシグネチャの可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 潮汐ロックや軌道離心率が、岩石惑星の気候の安定性や居住可能性に及ぼす影響の程度はどの程度か？
• RQ4 ガス惑星の揮発性に富んだ蒸発残渣が、大気を失った後に居住可能世界として形成可能だろうか？
• RQ5 M型矮星の周囲を回る遅い回転の惑星において、弱いかあるいは存在しない磁気圏が居住可能性の決定的障壁となるだろうか？

主な発見

• 5–10 m/sの精度を持つ径速度計器では、特に低じょうずのJitterが小さい初期型M型矮星の周囲に、地球質量の惑星をHabitable Zone（HZ）で検出可能である。
• 星の活動性（黒点やフレアを含む）により、遅いM型矮星では最大23 cm/sのRVジッターが生じるが、これは地球質量の惑星検出のための検出限界を下回ることが多い。
• 中程度の黄経や離心率を持つ場合、潮汐ロックされた惑星は運命的凍結を回避でき、生命可能性領域の外縁を拡大する可能性がある。
• 最小質量が3地球質量で、HZ内にほぼ円軌道を描くグリーゼ581gのような惑星は、潮汐ロックであっても、知られている物理的障壁は存在しない。
• 遅い回転の惑星でもダイナモ作用により磁場を維持でき、星風や高エネルギー放射線からの効果的防護が可能である。
• 近軌道の惑星では大気質量損失が顕著であるが、一部の生命可能性領域の惑星はガス惑星の蒸発残渣として形成され、生命に不可欠な揮発性物質を保持している可能性がある。