[論文レビュー] Life Beyond the Solar System: Remotely Detectable Biosignatures

Shawn Domagal‐Goldman, Nancy Y. Kiang+39 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2018

Astro and Planetary Science参考文献 7被引用数 3

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、Exoplanet Biosignatures Workshop Without WallsのコンSENSUSを要約し、遠隔測定による系外惑星の大気および表面の観測を用いて地球外生命を検出する方法を提示する。生命の兆候を特定し、誤検出を評価し、将来の望遠鏡（ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡やLUVOIRなど）の設計を指針づけるために、生物学、惑星科学、天文学を統合した多分野的でベイズ的フレームワークの構築を提唱する。

ABSTRACT

For the first time in human history, we will soon be able to apply the scientific method to the question "Are We Alone?" The rapid advance of exoplanet discovery, planetary systems science, and telescope technology will soon allow scientists to search for life beyond our Solar System through direct observation of extrasolar planets. This endeavor will occur alongside searches for habitable environments and signs of life within our Solar System. While the searches are thematically related and will inform each other, they will require separate observational techniques. The search for life on exoplanets holds potential through the great diversity of worlds to be explored beyond our Solar System. However, there are also unique challenges related to the relatively limited data this search will obtain on any individual world. This white paper reviews the scientific community's ability to use data from future telescopes to search for life on exoplanets. This material summarizes products from the Exoplanet Biosignatures Workshop Without Walls (EBWWW). The EBWWW was constituted by a series of online and in person activities, with participation from the international exoplanet and astrobiology communities, to assess state of the science and future research needs for the remote detection of life on planets outside our Solar System.

研究の動機と目的

• 系外惑星における生命の遠隔検出に関する現在の状況と今後の研究の優先順位について、コミュニティ全体で合意に至ることを目的とする。
• 遠く離れた系外惑星からの限られたスペクトルデータを高信頼性で解釈するという挑戦に応えるため、生命の兆候検出の信頼性を高めることを目的とする。
• 生物学、惑星科学、天文学の知見を統合した統一されたフレームワークを構築し、惑星の居住可能性と生命の有無を評価することを目的とする。
• 非生物的プロセスのモデリング、多様な恒星環境下での生命の兆候の表現、不確実性の定量化に関する重要な研究ギャップを特定することを目的とする。
• 高度な計算ツールとモデルの開発を促進するため、制度的および公私連携を推進することを目的とする。

提案手法

• Exoplanet Biosignatures Workshop Without Wallsが作成した5編の査読付き論文の成果を統合し、生命の兆候ライブラリ、O₂を事例として取り上げた分析、統計的フレームワーク、将来の観測施設の能力をカバーする。
• 多様な科学分野を統合し、生命の兆候検出の信頼性を定量化するために、ベイズ統計フレームワークを適用する。
• 1次元および3次元の惑星系モデル（GCMを含む）を用いて、異なる恒星入射放射、大気組成、惑星条件下での生命の兆候の表現をシミュレートする。
• ガス（例：O₂、CH₄、O₃）のスペクトル特徴および異なる惑星・恒星環境下での表面反射率をモデリングし、生命の兆候の検出可能性を評価する。
• 気候、地質学、恒星タイプを含む惑星の文脈に基づく生命の事前確率を組み込み、誤検出のリスクを低減する。
• 専門プログラマーと協働して、生命の兆候システムおよび不確実性伝播をモデリングするオープンソースの科学ソフトウェアの開発を提唱する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 系外惑星において、最も信頼性の高い遠隔検出可能な生命の兆候とは何か。また、それらを非生物的偽陽性からどのように区別できるか。
• RQ2 惑星および恒星環境（特に異なる恒星タイプ）は、O₂ や O₃ などの生命の兆候の表現と検出可能性にどのように影響を与えるか。
• RQ3 惑星の地質学的および大気的文脈が、生命の可能性を評価する上で果たす役割は何か。また、その影響をどのように定量化できるか。
• RQ4 ベイズフレームワークをどのように活用し、生物学的・大気的・天文学的データを統合することで、生命の兆候検出の信頼性を向上できるか。
• RQ5 地球型系外惑星の居住領域で高コントラスト・高分解能分光法を実現するには、どのような将来的な宇宙望遠鏡および地上望遠鏡が必要か。

主な発見

• 科学コミュニティは、O₂ が強力ではあるが文脈依存性の高い生命の兆候であるという合意に至った。誤検出を避けるために、非生物的生成経路の慎重な評価が不可欠である。
• 多様なデータタイプを統合し、不確実性をモデル化するには、ベイズフレームワークが不可欠であり、地球外生命の確率的評価を可能にする。
• ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）、LUVOIR、HabEx、および地上望遠鏡（ELT、GMT、TMT）は、地球型系外惑星における生命の兆候検出に不可欠である。
• 大気・海洋・表面プロセスを網羅的にシミュレートするには、3次元一般循環モデル（GCM）および結合型1次元モデルが不可欠である。
• 非地球型の生命の兆候や、極端または特異な惑星環境下での非生物的プロセスのモデリングに関する、依然として大きな研究ギャップが存在する。
• 高度な計算ツールおよび科学的ソフトウェアの開発には、公私連携が不可欠である。生命の兆候モデリングおよび不確実性の定量化に貢献する。