K2-18b

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K2-18b
赤色矮星K2-18 （左）を周回するK2-18b （右）の想像図。中央の小さな三日月形は惑星段階のK2-18cである。
発見
発見場所ケプラー宇宙望遠鏡
発見日2015
交通機関
軌道特性[ 1 ]
0.159 10+0.000 46 −0.000 47 au
21,380,000 km
偏心0.09+0.12 −0.09[ 2 ]
32.940 045 ± 0.000 100 日
354.3+46.4 −33.8° [ 3 ]
星K2-18
身体的特徴
2.610 ± 0.087  R 🜨
質量8.63 ± 1.35 メートル🜨
平均密度
2.67+0.52 −0.47 グラム/cm 3
12.43+2.17 −2.07 メートル/秒2
温度265 ± 5  K (-8 ± 5  °C )

K2-18b（EPIC 201912552 b）は、地球から124光年（38 パーセク）離れた赤色矮星K2-18を周回する太陽系外惑星です。この惑星は海王星のすぐ近くに位置し、地球の半径の約2.6倍の半径を持ち、恒星のハビタブルゾーン内を33日間で公転しています。地球が太陽から受ける光量とほぼ同じ量の光を受けています。当初はケプラー宇宙望遠鏡によって発見され、その後、惑星の大気を調査するためにジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）によって観測されました。

JWSTは、その大気中に水蒸気、二酸化炭素、メタンを発見しました。JWSTのデータは、水素に富む大気を持つ水の海を持つ惑星、あるいはガスに富むミニ海王星を示唆するなど、様々な解釈がなされています。K2-18bは、温度を除けば地球よりも天王星や海王星のような氷の巨星に近い、生命居住可能な惑星として研究されてきました。これは、水素の外層の下に豊富な水を持つ ハイセアン惑星の原型です。

2025年、ジメチルスルフィド（DMS）の発見が物議を醸したと報告されました。これは、太陽系外惑星における生命の痕跡となる可能性のある化学物質です。しかしながら、その存在は生命とは無関係な化学反応によって説明できる可能性があり、観測結果が他の化合物や測定結果ではなく、実際にはDMSの存在を示しているのかどうか疑問視されているため、地球外生命の証拠として広く受け入れられているわけではありません。

司会者スター

K2-18は、スペクトル型M3V [ 4 ]のM型矮星で、しし座にあり、[ 5 ] 38.025 ± 0.079パーセク（124.02 ± 0.26 光年）離れています。[ 1 ]この恒星は太陽よりも冷たく小さく、温度は3,457 K（3,184 °C、5,763 °F）で、半径は太陽の45%です。[ 6 ]また、地球からは肉眼では見えません。[ 7 ]この恒星の年齢は24 ± 6億年です。 [ 8 ]中程度の恒星活動を示していますが、恒星黒点があるかどうか[ 9 ]は不明です。黒点があると、惑星が横切ったときに誤った信号[ a ]が生成されやすくなります。 [ 11 ] [ 11 ] [ 9 ] K2-18はK2-18bの軌道の内側にK2-18cという別の惑星を持っており、[ 12 ] K2-18bと潮汐力によって相互作用する可能性がある。[ b ] [ 14 ]

M型矮星の最大80%はハビタブルゾーン内に惑星を持つと推定されており[ 6 ]、LHS 1140、プロキシマ・ケンタウリ、TRAPPIST-1などの恒星もその例である。これらの恒星は質量、サイズ、温度が小さく、公転周期も短いため、惑星の特定が容易である。一方、恒星の光度が低いため、惑星の分光分析は困難となる可能性がある[ 15 ] [ 6 ] 。また、これらの恒星はフレアや恒星表面の不均質性（白斑や黒点）を伴う活動的な惑星であるため、惑星の調査時に誤ったスペクトル信号が生じる可能性がある[ 10 ] 。

物理的特性

K2-18bの半径は2.610 ± 0.087  R 🜨、質量 太陽の周りを33日かけて公転する。 [ 6 ]地球からは、恒星の前を通過するのが見える。 [ 16 ]惑星は恒星に潮汐固定されている可能性が高いが、軌道離心率を考慮すると、水星のような自転軌道共鳴も起こり得る。 [ 17 ]

K2-18bの密度は約2.67+0.52 −0.47 g/cm 3 —地球と海王星の中間 —この惑星は水素に富む外層を持っていることを示唆している。 [ c ] [ 15 ]この惑星は厚い外層を持つ岩石惑星か、海王星のような組成を持っている可能性がある。 [ d ] [ 19 ] [ 20 ]薄い大気を持つ純粋な水惑星の可能性は低い。 [ 21 ]半径約半径1.5～2  R 🜨の惑星は、予想される出現率に比べて予想外に少なく、この現象は半径の谷として知られています。おそらく、中間の半径を持つ惑星は、自身のエネルギー出力と恒星からの放射による大気の流出を抑制できず、大気を保持できないと考えられます。 [ 22 ] （さらに半径の小さい惑星はスーパーアース、半径の大きい惑星はサブネプチューンとして知られています。[ 23 ]）

この惑星は形成に数百万年を要した可能性がある。[ 24 ] [ 25 ]著しい潮汐加熱は起こりそうにない。[ 26 ] [ 12 ]内部加熱によって深部の温度が上昇することがあるが、表面温度に大きな影響を与える可能性は低い。[ 25 ]海が存在する場合、おそらく岩石の核の上にある高圧の氷の層の下にあり、[ 27 ]これが核と海の間の物質の流れを妨げて惑星の気候を不安定にする可能性がある。[ 28 ] K2-18bの気候と居住可能性に影響を与える可能性のある系外衛星の存在が調査されている。 [ 29 ]惑星が衛星を保持できるヒル球は小さすぎるため、衛星の寿命が1000万年を超えることは不可能と思われる。 [ 30 ] K2-18bのような惑星が系外衛星をホストできるかどうかは明らかではない。潮汐作用や軌道相互作用によって破壊される可能性もある。 [ 29 ]

可能性のある海

臨界点を超える温度では、液体と気体は異なる相ではなくなり、海と大気の分離はなくなります。[ 31 ]観測結果がK2-18bに独立した液体の海が存在することを示唆しているかどうかは不明であり、[ 2 ]そのような海を外部から検出することは困難です。[ 32 ]その存在は、惑星の質量と半径のみから推測または排除することはできません。[ 33 ]

液体の水の海の存在は不確かである。[ 34 ]ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡による観測以前は、水の超臨界状態の方が可能性が高いと考えられていた。 [ 35 ]当初、JWST の観測は、流体と気体の界面、つまり液体の海との関連性が高いと考えられていた。 [ 36 ]炭化水素やアンモニアなどの微量ガスは、大気が存在する場合、大気から海洋へ失われる可能性があるため、それらの存在は、海洋と大気の分離が存在しないことを意味する可能性がある。[ 37 ] その後の研究では、マグマの海はアンモニアを溶解する可能性があり、観測結果を説明できる可能性があることが明らかになっているが、[ 38 ]観測された二酸化炭素の濃度は説明できない。[ 39 ]二酸化炭素の濃度がミニネプチューン/深層水素大気モデルで説明できるかどうかは不確かである。 [ 40 [ 40 ]

大気と気候

ハッブル宇宙望遠鏡による観測により、K2-18b の大気は金属量の多い水素[ 42 ]からなることが分かっています。[ 43 ]水蒸気が存在する可能性が高いですが[ 44 ] [ e ]不確実性があります。 [ 46 ]ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の観測では濃度が 0.1% 未満であることが示されています。[ 47 ]これは、JWST が乾燥した成層圏を観測したためである可能性があり[ 36 ]、大気には効率的なコールド トラップがあると考えられているためです。[ 41 ]アンモニア濃度は測定できないほど低いようです。[ f ] [ 42 ]または測定の問題によるものです。[ 50 ] JWSTの観測では、メタンと二酸化炭素がそれぞれ大気の約 1% を構成していることが示されています[ 51 ] [ 52 ] [ 54 ]濃度の上限（数パーセント）のみが確立されている。[ 55 ]大気は惑星の質量の最大6.2％を占め、[ 19 ]その組成はおそらく天王星と海王星のそれに似ている。[ 56 ]

K2-18bの大気に霞があるかどうかは不明であるが[ 43 ] [ 57 ]、K2-18bで発生する可能性のある唯一の種類の雲である水雲の証拠は矛盾している[ 58 ]。[ 59 ]もし存在するとすれば、雲は氷である可能性が高いが、液体の水が存在する可能性もある。[ 60 ]水以外にも、惑星の特性に応じて、塩化アンモニウム、硫化ナトリウム、塩化カリウム、硫化亜鉛がK2-18bの大気中に雲を形成する可能性がある。[ 61 ]ほとんどのコンピュータモデルは、高高度で温度逆転が発生し、成層圏が形成されると予想している。[ 62 ]

進化

恒星からの高エネルギー放射、例えば硬[ g ]紫外線やX線などは、上層大気を加熱し、水の光分解によって生成された水素で満たし、惑星から逃げることができる拡張された水素に富んだ外気圏[ 65 ]を形成すると予想されています。 [ 8 ] K2-18bがK2-18から受けるX線と紫外線の放射量は、太陽からの同等の放射量よりもかなり高く、[ 8 ]硬紫外線放射量は、この外気圏を約1000万分の1秒の速度で逃げさせるのに十分なエネルギーを提供します。350+400 −290毎秒トンの放射量では、惑星の寿命の間にその大気を除去するには遅すぎる。[ 66 ]惑星の通過中にライマンアルファ放射線の放出量が減少するのを観測すると、そのような外気圏の存在が示される可能性があるが、この発見には確認が必要である。[ 67 ]

代替シナリオ

惑星の周囲の大気を検出することは困難であり、報告されたいくつかの発見は議論の的となっている。[ 68 ] Barclay et al. 2021 は、水蒸気の信号はK2-18bの大気中の水ではなく、恒星の活動によるものである可能性があると示唆した。[ 4 ] Bézard et al. 2020 は、メタンがより重要な成分であり、約3〜10％を占めるのに対し、水は大気の約5〜11％を構成する可能性があると提案した。[ 59 ] Bézard、Charnay、およびBlain 2022 は、水の証拠は実際にはメタンによるものであると提案したが、[ 69 ]このようなシナリオの可能性は低い。[ 70 ]

モデル

K2-18bの気候をシミュレートするために気候モデルが使用されており、K2-18bに関するそれらの結果の相互比較は、海王星より下の惑星の気候をシミュレートするCAMEMBERTプロジェクトの一部です。[ 71 ] K2-18bで行われた気候モデリングの取り組みには以下のものがあります。

  • Charnayら2021は、惑星が潮汐固定されていると仮定し、温度勾配が弱い大気と、夜側に下降気流、昼側に上昇気流のある風系を発見した。上層大気では、メタンによる放射吸収によって逆転層が形成された。[ 72 ]雲は、大気の金属量が高い場合にのみ形成され、その性質は雲粒子の大きさ、大気の組成と循環に大きく依存した。雲は主に恒星下点と境界で形成された。降雨があった場合、地表に到達できず、代わりに蒸発して星雲を形成した。[ 73 ]自転軌道共鳴を用いたシミュレーションでは、雲の分布は大きく変化しなかった。[ 74 ]彼らはまた、恒星の通過中の大気の出現をシミュレートした。[ 75 ]
  • イネスとピエールハンバート（2022）は、異なる自転速度を仮定したシミュレーションを行い、高い自転速度を除いて、極と赤道の間に大きな温度勾配はないという結論を出しました。[ 76 ]彼らは、赤道上空と高緯度にジェット気流が存在し、地表では赤道ジェットが弱いことを発見しました。[ 77 ]
  • Hu 2021は、惑星の化学反応に関するシミュレーションを行った。[ 58 ]彼らは、光化学反応では外層大気からアンモニアを完全に除去することはできないと結論付けた。 [ 78 ]また、中層大気では二酸化炭素とシアン化物が生成され、そこで検出される可能性があるとしている。 [ 79 ]このモデルは、水雲を貫通して上空に広がる硫黄の霞層が形成される可能性があると予測している。このような霞層は、惑星の大気の調査をはるかに困難にするだろう。[ 80 ]
  • ツァイら2024は化学モデルと物理モデルを実行した。[ 81 ]彼らは対流圏に順行ジェット気流、上空に逆行ジェット気流を発見した。高度0.0001バールの大気圏で、その間を熱循環が循環している。[ 82 ]ジメチルスルフィドの暫定的な検出が報告されている。[ 81 ]いくつかの炭化水素はジメチルスルフィドの信号を覆い隠す可能性があり、[ 83 ]その生成量は地球の20倍を超えなければ検出できない。[ 84 ]このような速度は、あり得る生態系では可能である。[ 85 ]
  • ラデッカとリマー2025は化学モデルを用いて、K2-18bの大気中に窒素化合物が存在するかどうかを調べた。彼らは、窒素化合物は非常に稀であるため検出が困難であり、シアン化水素の生成は生命発生に必要な有機化合物を生成するには不十分であると考えられると結論付けた。[ 86 ]

居住性

入射する恒星からの放射線は1,368+114 −107 W / m 2で、地球が受ける平均日射量と同程度である。 [ 6 ] K2-18b は、その恒星の生命居住可能領域内またはそのすぐ内側に位置しており[ 87 ] （ [ 88 ]に近いかもしれないが、暴走温室効果閾値には達しない[ 89 ] ）そして、温室効果がない場合の温度は約 250 K（−23 °C、−10 °F）から 300 K（27 °C、80 °F）である。 [ 15 ]この惑星が実際に居住可能かどうかは、大気の性質[ 35 ]や雲やもやのアルベド[ 81 ]に依存している。 [ 90 ]大気の深層は高温すぎる可能性があり[ 49 ]一方、水を含む層は[ 28 ]生命の発達に適した温度と圧力になっていない可能性がある。 [ 91 ]アルベドに関するデータは少ないが、十分であることを示しているかもしれない。 [ 92 ]

地球由来の微生物は水素を豊富に含む大気中でも生存できることから、水素は生命活動の妨げにはならないことが示唆されている。しかし、生命の存在を示すために用いられる多くのバイオシグネチャーガスは、水素を豊富に含む大気中では信頼できる指標とはならないため、K2-18bにおける生物活動を特定するには、異なるマーカーが必要となる。 [ 93 ] Madhusudhanらによると、これらのマーカーのいくつかは、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡による十分な観測回数を経れば検出できる可能性がある。 [ 94 ]

発見と研究の歴史

この惑星は2015年にケプラー宇宙望遠鏡によって発見され、[ 95 ] [ 96 ] [ 97 ]、その後スピッツァー宇宙望遠鏡とドップラー速度法によってその存在が確認された。[ 65 ]トランジットの分析により、見えない伴星、[ 97 ]複数の惑星、または観測の系統的誤差によるものではないことが排除された。 [ 98 ]初期の恒星半径の推定には大きな誤差があり、惑星半径の推定が不正確になり、惑星の密度が過大評価されていた。[ 99 ] 2019年にK2-18bで水蒸気の分光学的特徴が発見されたことは、ホットジュピター以外の太陽系外惑星で水蒸気が発見された最初の例であり[ 8 ]、多くの議論を呼んだ。[ 32 ]

K2-18bは太陽系外惑星研究のテストケースとして用いられてきた。[ 58 ] K2-18bの特性から、豊富な液体の水と水素の外層を持つタイプの惑星であるハイセアン惑星の定義が導かれた。このような組成の惑星はこれまで高温すぎて居住不可能と考えられていたが、K2-18bでの発見は、生命の生存に適した液体の水の海を存在させるのに十分な低温である可能性を示唆している。水素の外層の強い温室効果により、恒星化率が低くても居住可能な状態を維持できる可能性がある。[ 100 ] K2-18bはおそらく最もよく知られているハイセアン惑星である。[ 101 ]ハイセアン以外の組成の惑星も存在し、居住可能か居住不可能かの両方が考えられる。[ 102 ] [ 81 ]

バイオシグネチャーの有無

K2-18bジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のスペクトル（2023年）。提供元：NASA、CSA、ESA、J. Olmstead、N. Madhusudhan 2023

大気中にはジメチルスルフィド（DMS）[ h ]と塩化メチルが存在するという証拠がいくつかある。しかし、様々な調査データがK2-18bの大気中にDMSが存在する証拠として解釈できるかどうかについては意見が分かれている。[ 104 ]

  • 重要な懸念事項は、JWSTの通過データがDMSの存在を必要とするのか、それとも「平坦な線」スペクトルと依然として一致するのかということです。[ 104 ]いくつかの追跡研究では、DMSの特徴は実際には他の分子の産物であるか、あるいは単なる平坦な線である可能性があることがわかりました。[ 105 ]同じデータを異なる方法で処理すると、異なる出力が得られ、DMSの存在を示唆するものもあれば、そうでないものもあります。[ 106 ] [ 45 ]この観測の統計的有意性も小さいです。[ 107 ]
  • ジメチルスルフィド（および類似の分子）は、生命を必要とせずに光化学プロセスによって生成できます。 [ 108 ] [ 109 ] [ 110 ]報告されているDMS濃度は（正しい場合）、非生物的に生成されるには高すぎる可能性がありますが、[ 111 ]生物的DMSであっても非常に高い生成速度が必要になります。[ 112 ]
  • 高いメタン濃度はメタン生成生命の存在を示唆している可能性があるが、大気化学によるメタン生成[ 92 ]や、惑星深部からのガスの上方混合（生命が存在するには惑星の温度が高すぎる場合）などの非生物的シナリオも考えられる。[ 113 ]
  • エタンの不在は、Tsai et al. 2024によってDMSが生物起源ではないという主張に対する反論として挙げられた。 [ 104 ]必要な量のDMSを生成する生物学的プロセスでは、検出可能な量のエタンが生成されるはずである。[ 114 ]
  • 特定のバイオシグネチャーガスに関する議論とは別に、いくつかのモデリングの取り組みでは、K2-18bの金属量についての仮定をする際に、純粋なハイセアンやミニネプチューンモデルよりも生命の存在がいくつかの観測特性をよりよく説明できることが示されている[ 115 ] 。 [ 116 ]

地球外生命体発見の主張は、長きにわたり論争の的となり、あるいは反証されてきた。地球外で生命体を発見することは困難であり、2025年現在、そのような主張は科学界に広く受け入れられていない。[ 117 ]世界中のニュースメディアによる報道[ 118 ]や、 K2-18bの生命兆候の可能性に関する出版物のプレスリリースは、しばしば、それらが依拠する慎重に評価された論文よりもはるかに決定的なものであることが多い。[ 45 ] K2-18bに実際に生命が存在するかどうかの研究とは別に、生命体やアミノ酸などの生命に必要な化合物がK2-18b上で実際に形成される可能性があるかどうかを議論する研究もある。[ 119 ] [ 120 ] K2-18bに関する議論は、化学的特徴の検出の信頼性をどのように確立するかという問題、そして太陽系外惑星の化学的特徴の検出に特化していないスペクトルデータベースや観測技術の限界に注目を集めている。[ 121 ]

JWST MIRIが撮影した系外惑星K2-18 bの赤外線透過スペクトル。クレジット: Madhusudhan 他2025年

参照

注記

  1. ^太陽面を通過する惑星の観測は、惑星の外観と惑星に覆われていない恒星の表面の外観を比較することに依存しているため、恒星の外観の変化が惑星の影響と混同される可能性があります。 [ 10 ]
  2. ^潮汐相互作用とは、重力を介して、互いに運動している天体間で起こる相互作用である。 [ 13 ]
  3. ^エンベロープとは、惑星自体と共に原始惑星系円盤から形成された大気のことである。巨大ガス惑星では、大気が惑星の質量の大部分を占める。 [ 18 ]
  4. ^海王星のような構成は、水と岩石の他に、惑星にかなりの量の水素とヘリウムが含まれていることを示唆している。 [ 19 ]
  5. ^当初、水蒸気が実際にメタンであるかどうかについて疑問がありました。 [ 45 ]
  6. ^海王星のような太陽系外惑星の大気におけるアンモニアとメタンの不足は「失われたメタン問題」として知られており、2021年現在も未解決の謎である。 [ 48 ]アンモニアとメタン濃度の異常な低さは、生命、光化学プロセス、 [ 35 ]メタンの凍結[ 49 ]によるものである可能性がある
  7. ^硬質紫外線とは波長の短い紫外線のことである。 [ 63 ]波長が短いということは、周波数が高く、光子あたりのエネルギーが大きくなることを意味する。 [ 64 ]
  8. ^地球の大気中のDMSの大部分は海洋環境中の植物プランクトンから放出されるため、DMSの存在は潜在的なバイオシグネチャーである。 [ 103 ]

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出典

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