小さな惑星が1つ余計にあるだけで「地球が太陽系から追い出されて生命が死に絶えてしまう」とのシミュレーション結果

観測技術の進歩により、太陽系の外にも地球のような惑星が多く存在することが分かってきており、地球外生命体発見への期待が高まっています。しかし、他の星系によくある地球型惑星を太陽系に配置したコンピューターシミュレーションにより、太陽系は天文学者がこれまで考えてきた以上に絶妙なバランスの上に成り立っていることが分かりました。

The Dynamical Consequences of a Super-Earth in the Solar System - IOPscience
https://doi.org/10.3847/PSJ/acbb6b

The planet that could end life on Earth: Experiment demonstrates solar system's fragility
https://phys.org/news/2023-03-planet-life-earth-solar-fragility.html

カリフォルニア大学リバーサイド校の天体物理学者であるスティーブン・ケイン氏は、査読付きのオープンアクセスジャーナル・Planetary Science Journalで、仮想の惑星を太陽系に配置したシミュレーション結果に関する論文を発表しました。

ケイン氏がこの研究を始めたのは、太陽系にある2つの「ギャップ」について調べることが目的でした。問題のギャップの1つ目は、太陽系にある「地球型惑星」と「ガス惑星」の大きさのギャップです。太陽系最大の岩石惑星は地球で、太陽系最小のガス惑星は海王星ですが、海王星は地球の4倍の大きさと17倍の質量を持っています。

以下の図は、太陽系の惑星を実際のサイズ比で表したもの。地球や火星(Mars)などの岩石惑星と木星(Jupiter)といったガス惑星の大きさの違いが一目で分かります。

by CactiStaccingCrane

ケイン氏によると、太陽系は他の星系に比べて地球型惑星とガス惑星のサイズにギャップがありすぎるとのこと。「他の星系には、このギャップを埋めるような質量を持つ惑星がたくさんあります。天文学者は、地球より大きな質量を持つこれらの岩石惑星をスーパーアースと呼んでいます」とケイン氏は話しています。

そして2つ目のギャップは、火星と木星の間のギャップです。以下は、太陽系の惑星を実際の距離の比率に従って配置したもの。火星を含む内惑星系(Inner planets)から外側は惑星と惑星の距離が大きく離れてしまっているのが見て取れます。ケイン氏によると、よく天文学者は「この火星と木星の隙間に何か別の惑星があったらちょうどいいのに」と感じてしまうとのこと。

by CactiStaccingCrane

このような太陽系の特徴的なギャップを埋めたらどうなるのかを確かめるため、ケイン氏はさまざまなサイズの惑星を火星と木星の間に配置し、それが地球などの惑星の軌道にどのような影響を与えるのかを分析しました。

その結果、火星と木星の間にスーパーアースがあると、地球が軌道を外れて太陽系から放り出されてしまうことが分かりました。もし地球に太陽光が降り注がなくなると地球は極寒の星になってしまい、地上の生命は死に絶えることになります。また、地球だけでなく水星や金星といった内惑星系の星も太陽系からはじき出されてしまいかねないことや、天王星や海王星の軌道も不安定になることが分かりました。

こうした壊滅的な事態を招く直接的な原因は、スーパーアースが木星の軌道をずらしてしまうことです。木星は地球の318倍もの質量を持つ巨大ガス惑星なので、地球型惑星の影響でほんの少し軌道がぶれるだけでも、他の惑星に甚大な影響を与えます。

この研究結果は、太陽系外惑星に生命が存在しうるかどうかを考える上でも重要です。恒星から遠く離れたガス惑星である「木星型惑星」が他の星系で見つかる可能性はせいぜい10％程度ですが、この木星型惑星があるかどうかによって、地球型惑星が安定した環境を得られるかどうかが大きく左右されるからです。このように、地球型惑星の軌道を安定させるのを助ける木星型の惑星は「グッドジュピター」と呼ばれています。

今回のシミュレーション実験について、ケイン氏は「太陽系は私が以前から考えていた以上に、微妙に調整されていることが分かりました。太陽系の惑星はまるで時計の歯車のように精巧にかみ合っており、余計な歯車が増えると全てが壊れてしまうのです」と話しました。