[論文レビュー] The habitability of the Universe through 13 billion years of cosmic time

Pratika Dayal, Martin Ward+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2016

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 2被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、138億年の宇宙の歴史にわたり、タイプII超新星（SNII）、タイプIa超新星（SNIa）、ガンマ線バースト（GRBs）、活動銀河核（AGN）からの累積的な有害放射線をモデル化することで、宇宙の宇宙的居住可能性を評価する。その結果、SNIIが放射線脅威と居住可能性の損失の主な要因であり、次いでSNIaが続くが、GRBsとAGNの寄与は無視できるほど小さい。その結果、宇宙の居住可能性は時間の経過とともに着実に向上しており、生命が地球に最初に出現した40億年前に比べ、現在は2.5～20倍も高い水準に達していることが判明した。

ABSTRACT

The field of astrobiology has made tremendous progress in modelling galactic-scale habitable zones which offer a stable environment for life to form and evolve in complexity. Recently, this idea has been extended to cosmological scales by studies modelling the habitability of the local Universe in its entirety (e.g. Dayal et al. 2015; Li & Zhang 2015). However, all of these studies have solely focused on estimating the potentially detrimental effects of either Type II supernovae (SNII) or Gamma Ray Bursts (GRBs), ignoring the contributions from Type Ia supernovae (SNIa) and active galactic nuclei (AGN). In this study we follow two different approaches, based on (i) the amplitude of deleterious radiation and (ii) the total planet-hosting volume irradiated by deleterious radiation. We simultaneously track the contributions from the key astrophysical sources (SNII, SNIa, AGN and GRBs) for the entire Universe, for both scenarios, to determine its habitability through 13.8 billion years of cosmic time. We find that SNII dominate the total radiation budget and the volume irradiated by deleterious radiation at any cosmic epoch closely followed by SNIa (that contribute half as much as SNII), with GRBs and AGN making up a negligible portion (<1%). Secondly, as a result of the total mass in stars (or the total number of planets) slowly building-up with time and the total deleterious radiation density, and volume affected, falling-off after the first 3 billion years, we find that the Universe has steadily increased in habitability through cosmic time. We find that, depending on the exact model assumptions, the Universe is 2.5 to 20 times more habitable today compared to when life first appeared on the Earth 4 billion years ago. We find that this increase in habitability will persist until the final stars die out over the next hundreds of billions of years.

研究の動機と目的

• 複数の天体物理学的放射線源の影響を統合することで、138億年にわたる宇宙の宇宙的居住可能性を評価すること。
• SNII、SNIa、GRBs、AGNが有害放射線と居住可能性の損失に与える相対的寄与を特定すること。
• 星形成と金属量の変化を考慮して、時間経過に伴う合計居住可能体積と放射線密度の変化をモデル化すること。
• 地球に生命が出現したのをテンプレートとして、時間の経過に伴う居住可能性の増加を定量化すること。
• 宇宙が最大の居住可能性に近づいているか、それともまだ将来のピークに向かって増加しているかを評価すること。

提案手法

• 本研究では、2つの補足的アプローチを用いる：(i) 放射線の振幅、(ii) 有害放射線にさらされた体積の合計。
• 宇宙の時間的経過に伴うSNII、SNIa、GRBs、AGNからの累積放射線を、宇宙論的星形成率密度（SFRD）モデルを用いて追跡する。
• 赤方偏移依存の星の質量関数と金属量の進化を組み込み、惑星を有する体積と放射線露出を推定する。
• 既知のエネルギー出力に基づいて放射線フラックスを計算する：SNII（約10^53 erg）、SNIa（約10^53 erg）、GRBs（約10^54 erg）、AGN（X線および高エネルギー放射）。
• 居住可能性は、複雑な生命に阻害作用を及ぼす可能性がある閾値以下の体積と放射線密度の割合として定量化される。
• 不確実性をカバーするため2つのSFRDモデルを用い、両モデルで一貫した傾向が得られた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SNII、SNIa、GRBs、AGNのうち、どの天体物理学的源が宇宙の時間的経過に伴い有害放射線予算を支配しているか？
• RQ2 z ≈ 10から現在に至るまで、有害放射線の影響を受ける合計居住可能体積はどのように変化するか？
• RQ3 過去138億年にわたり、宇宙の居住可能性はどの程度向上したか？
• RQ4 惑星形成から生命出現までの14億年の遅れを考慮すると、宇宙のピーク居住可能性のタイミングはどのように変化するか？
• RQ5 宇宙は最大の居住可能性に近づいているのか、それともまだ将来のピークに向けて増加し続けているのか？

主な発見

• SNIIが有害放射線の主な源であり、合計放射線予算および被照射体積の最大部分を占めている。
• SNIaは放射線予算および影響を受ける体積においてSNIIの約半分の寄与を示し、2番目に重要な要因である。
• GRBsとAGNは、放射線振幅および被照射体積の両方で1%未満の寄与にとどまり、全体の居住可能性モデルにおいて無視できる。
• 星の質量の徐々な蓄積と、最初の30億年を過ぎてから有害放射線密度が低下するため、宇宙の居住可能性は時間の経過とともに着実に向上している。
• 宇宙は現在、生命が地球に最初に出現した40億年前に比べ、2.5～20倍も高い居住可能性に達していると推定される。
• 惑星形成から生命出現までの14億年の遅れを考慮すると、宇宙のピーク居住可能性はまだ未来にあり、今後数兆年にもわたって星が消滅するまで、居住可能性は引き続き上昇し続ける。