TED日本語 - デイヴ・ブレイン: 惑星が生命を育むために必要なもの


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TED日本語 - デイヴ・ブレイン: 惑星が生命を育むために必要なもの

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What a planet needs to sustain life


Dave Brain






I'm really glad to be here. I'm glad you're here, because that would be a little weird. I'm glad we're all here. And by "here," I don't mean here. Or here. But here. I mean Earth. And by "we," I don't mean those of us in this auditorium, but life, all life on Earth --


from complex to single-celled, from mold to mushrooms to flying bears.


The interesting thing is, Earth is the only place we know of that has life -- 8.7 million species. We've looked other places, maybe not as hard as we should or we could, but we've looked and haven't found any; Earth is the only place we know of with life. Is Earth special? This is a question I've wanted to know the answer to since I was a small child, and I suspect 80 percent of this auditorium has thought the same thing and also wanted to know the answer. To understand whether there are any planets -- out there in our solar system or beyond -- that can support life, the first step is to understand what life here requires.

It turns out, of all of those 8.7 million species, life only needs three things. On one side, all life on Earth needs energy. Complex life like us derives our energy from the sun, but life deep underground can get its energy from things like chemical reactions. There are a number of different energy sources available on all planets. On the other side, all life needs food or nourishment. And this seems like a tall order, especially if you want a succulent tomato.


However, all life on Earth derives its nourishment from only six chemical elements, and these elements can be found on any planetary body in our solar system. So that leaves the thing in the middle as the tall pole, the thing that's hardest to achieve. Not moose, but water.


Although moose would be pretty cool.


And not frozen water, and not water in a gaseous state, but liquid water. This is what life needs to survive, all life. And many solar system bodies don't have liquid water, and so we don't look there. Other solar system bodies might have abundant liquid water, even more than Earth, but it's trapped beneath an icy shell, and so it's hard to access, it's hard to get to, it's hard to even find out if there's any life there.

So that leaves a few bodies that we should think about. So let's make the problem simpler for ourselves. Let's think only about liquid water on the surface of a planet. There are only three bodies to think about in our solar system, with regard to liquid water on the surface of a planet, and in order of distance from the sun, it's: Venus, Earth and Mars. You want to have an atmosphere for water to be liquid. You have to be very careful with that atmosphere. You can't have too much atmosphere, too thick or too warm an atmosphere, because then you end up too hot like Venus, and you can't have liquid water. But if you have too little atmosphere and it's too thin and too cold, you end up like Mars, too cold. So Venus is too hot, Mars is too cold, and Earth is just right. You can look at these images behind me and you can see automatically where life can survive in our solar system. It's a Goldilocks-type problem, and it's so simple that a child could understand it.

However, I'd like to remind you of two things from the Goldilocks story that we may not think about so often but that I think are really relevant here. Number one: if Mama Bear's bowl is too cold when Goldilocks walks into the room, does that mean it's always been too cold? Or could it have been just right at some other time? When Goldilocks walks into the room determines the answer that we get in the story. And the same is true with planets. They're not static things. They change. They vary. They evolve. And atmospheres do the same. So let me give you an example.

Here's one of my favorite pictures of Mars. It's not the highest resolution image, it's not the sexiest image, it's not the most recent image, but it's an image that shows riverbeds cut into the surface of the planet; riverbeds carved by flowing, liquid water; riverbeds that take hundreds or thousands or tens of thousands of years to form. This can't happen on Mars today. The atmosphere of Mars today is too thin and too cold for water to be stable as a liquid. This one image tells you that the atmosphere of Mars changed, and it changed in big ways. And it changed from a state that we would define as habitable, because the three requirements for life were present long ago. Where did that atmosphere go that allowed water to be liquid at the surface?

Well,one idea is it escaped away to space. Atmospheric particles got enough energy to break free from the gravity of the planet, escaping away to space, never to return. And this happens with all bodies with atmospheres. Comets have tails that are incredibly visible reminders of atmospheric escape. But Venus also has an atmosphere that escapes with time, and Mars and Earth as well. It's just a matter of degree and a matter of scale. So we'd like to figure out how much escaped over time so we can explain this transition.

How do atmospheres get their energy for escape? How do particles get enough energy to escape? There are two ways, if we're going to reduce things a little bit. Number one, sunlight. Light emitted from the sun can be absorbed by atmospheric particles and warm the particles. Yes, I'm dancing, but they --


Oh my God, not even at my wedding.


They get enough energy to escape and break free from the gravity of the planet just by warming. A second way they can get energy is from the solar wind. These are particles, mass, material, spit out from the surface of the sun, and they go screaming through the solar system at 400 kilometers per second, sometimes faster during solar storms, and they go hurtling through interplanetary space towards planets and their atmospheres, and they may provide energy for atmospheric particles to escape as well.

This is something that I'm interested in, because it relates to habitability. I mentioned that there were two things about the Goldilocks story that I wanted to bring to your attention and remind you about, and the second one is a little bit more subtle. If Papa Bear's bowl is too hot, and Mama Bear's bowl is too cold, shouldn't Baby Bear's bowl be even colder if we're following the trend? This thing that you've accepted your entire life, when you think about it a little bit more, may not be so simple. And of course, distance of a planet from the sun determines its temperature. This has to play into habitability. But maybe there are other things we should be thinking about. Maybe it's the bowls themselves that are also helping to determine the outcome in the story, what is just right.

I could talk to you about a lot of different characteristics of these three planets that may influence habitability, but for selfish reasons related to my own research and the fact that I'm standing up here holding the clicker and you're not --


I would like to talk for just a minute or two about magnetic fields. Earth has one; Venus and Mars do not. Magnetic fields are generated in the deep interior of a planet by electrically conducting churning fluid material that creates this big old magnetic field that surrounds Earth. If you have a compass, you know which way north is. Venus and Mars don't have that. If you have a compass on Venus and Mars, congratulations, you're lost.


Does this influence habitability? Well, how might it? Many scientists think that a magnetic field of a planet serves as a shield for the atmosphere, deflecting solar wind particles around the planet in a bit of a force field-type effect having to do with electric charge of those particles. I like to think of it instead as a salad bar sneeze guard for planets.


And yes, my colleagues who watch this later will realize this is the first time in the history of our community that the solar wind has been equated with mucus.


OK, so the effect, then, is that Earth may have been protected for billions of years, because we've had a magnetic field. Atmosphere hasn't been able to escape. Mars, on the other hand, has been unprotected because of its lack of magnetic field, and over billions of years, maybe enough atmosphere has been stripped away to account for a transition from a habitable planet to the planet that we see today.

Other scientists think that magnetic fields may act more like the sails on a ship, enabling the planet to interact with more energy from the solar wind than the planet would have been able to interact with by itself. The sails may gather energy from the solar wind. The magnetic field may gather energy from the solar wind that allows even more atmospheric escape to happen. It's an idea that has to be tested, but the effect and how it works seems apparent. That's because we know energy from the solar wind is being deposited into our atmosphere here on Earth. That energy is conducted along magnetic field lines down into the polar regions, resulting in incredibly beautiful aurora. If you've ever experienced them, it's magnificent. We know the energy is getting in. We're trying to measure how many particles are getting out and if the magnetic field is influencing this in any way.

So I've posed a problem for you here, but I don't have a solution yet. We don't have a solution. But we're working on it. How are we working on it? Well, we've sent spacecraft to all three planets. Some of them are orbiting now, including the MAVEN spacecraft which is currently orbiting Mars, which I'm involved with and which is led here, out of the University of Colorado. It's designed to measure atmospheric escape. We have similar measurements from Venus and Earth. Once we have all our measurements, we can combine all these together, and we can understand how all three planets interact with their space environment, with the surroundings. And we can decide whether magnetic fields are important for habitability or not.

Once we have that answer, why should you care? I mean, I care deeply ... And financially as well, but deeply.


First of all, an answer to this question will teach us more about these three planets, Venus, Earth and Mars, not only about how they interact with their environment today, but how they were billions of years ago, whether they were habitable long ago or not. It will teach us about atmospheres that surround us and that are close. But moreover, what we learn from these planets can be applied to atmospheres everywhere, including planets that we're now observing around other stars. For example, the Kepler spacecraft, which is built and controlled here in Boulder, has been observing a postage stamp-sized region of the sky for a couple years now, and it's found thousands of planets -- in one postage stamp-sized region of the sky that we don't think is any different from any other part of the sky.

We've gone, in 20 years, from knowing of zero planets outside of our solar system, to now having so many, that we don't know which ones to investigate first. Any lever will help. In fact, based on observations that Kepler's taken and other similar observations, we now believe that, of the 200 billion stars in the Milky Way galaxy alone, on average, every star has at least one planet. In addition to that, estimates suggest there are somewhere between 40 billion and 100 billion of those planets that we would define as habitable in just our galaxy.

We have the observations of those planets, but we just don't know which ones are habitable yet. It's a little bit like being trapped on a red spot --


on a stage and knowing that there are other worlds out there and desperately wanting to know more about them, wanting to interrogate them and find out if maybe just one or two of them are a little bit like you. You can't do that. You can't go there, not yet. And so you have to use the tools that you've developed around you for Venus, Earth and Mars, and you have to apply them to these other situations, and hope that you're making reasonable inferences from the data, and that you're going to be able to determine the best candidates for habitable planets, and those that are not.

In the end, and for now, at least, this is our red spot, right here. This is the only planet that we know of that's habitable, although very soon we may come to know of more. But for now, this is the only habitable planet, and this is our red spot. I'm really glad we're here.



ここにいられることを 嬉しく思います 皆さんが ここにいることも だってそれは 少し変なことですから みんなが ここにいることを 嬉しく思います 「ここ」というのは この会場のことではなく この町のことでもなく ここのこと 地球です 「みんな」というのは この会場にいる人ということではなく 地球上にいる すべての生命


複雑なものから 単細胞まで 菌類や キノコから 空飛ぶクマまでということです


興味深いのは 地球は我々の知る 唯一生命のいる場所ということです 870万種の生物がいます 他の場所も見てきて 探し足りないのかも しれませんが どこにも 見つかっていません 地球は我々の知る 唯一生命のいる場所なんです 地球は特別なのでしょうか? これは私が小さな頃から 答えを知りたかった疑問で この会場にいる人の8割も きっと同じ思いを 抱いていたのではと思います 太陽系内にせよ 太陽系外にせよ 生命を宿しうる惑星が 存在するか知るには まずここにいる生命が 何を必要とするのか知ることです

870万種の生物がいる中で 生命が必要とするものは たった3つです 左は 地球上の生命すべてが必要とする エネルギーです 私たちのような複雑な生物は 太陽からエネルギーを得ていますが 地中深くに住む生き物は 化学反応などから エネルギーを得ているかもしれません 惑星で利用できる エネルギー源には いろいろなものがあります 右は すべての生命が必要とする 食べ物ないしは栄養です これは難しい注文に見えます とくに瑞々しいトマトを食べたいという場合には


しかしながら 地球の生命はすべて 栄養をたった 6つの元素から得ていて この6つの元素は 太陽系のどの惑星でも見つかります そうすると 真ん中の最も実現の難しい条件が残ります ヘラジカじゃなくて 水のことです


ヘラジカは素敵だと 思いますけど


凍った水でも 気体の水でもなく 液体の水です これこそ すべての生命が 生きるために必要とするものです そして太陽系の天体の多くは 液体としての水を持っていないので ここでは考えません 中には 地球以上の膨大な液体の水を 持っている天体も あるかもしれませんが 氷の殻の下に 閉じ込められていて 到達するのが難しく 生命がそこにいるのか 知るのは困難です

そうすると 残るのは ほんの一握りです 問題を簡単にするため 液体の水が地表にある惑星だけを 考えることにしましょう 地表に液体の水というと 考えられる惑星は 太陽系内に3つしかなく 太陽から近い順に 金星 地球 火星です 水が液体であるために 大気が必要です 大気については 絶妙なバランスが必要です 大気があまりに濃く 暖かすぎると 金星のように 高温になって 液体の水が 存在できません 一方で大気があまりに薄く 冷たすぎると 火星のように 寒すぎになってしまいます 金星は暑すぎ 火星は寒すぎ 地球はちょうどいい 後ろの映像を見ると 太陽系内で 生命が生きられる場所は 自ずと明らかです これは おとぎ話の 『3びきのくま』のような問題で 子供でも分かる簡単な話です

しかしながら 『3びきのくま』の話には みんなあまり 注意することのない 重要な点が 2つあると思います 第1に ゴルディロックスが来た時には 母さんグマの器は 冷たすぎましたが それは ずっと冷たかった ということなのか それとも いつかの時点では ちょうどよい温度だったのか? ゴルディロックスが 部屋に入った時間によって 答えは変わってくるのです 同じことが 惑星についても言えます 惑星は不変ではなく 変化します 進化していきます 大気だってそうです 例を挙げましょう

これは私の好きな 火星の写真です 最も高精細でも 最も美的でもなく 最新の写真という わけでもありませんが 火星表面を刻む 河床の存在を示しています 河床は流れる液体の水で 削られてできたものです 河床は何百 何千 何万年もかけて 形成されます 今の火星では 起きえないことです 今の火星の大気は 薄すぎ 寒すぎて 液体の水が安定して 存在できません この1枚の画像が 火星の大気は変化したこと それも大きく変わったことを 示しています そして その変化の前には 居住可能な状態があったのです その昔には 生命の3つの条件が 充たされていたからです 地表に液体の水が存在できる ようにしていた大気は どこへ行って しまったのでしょう?

1つの考えは 宇宙に逃げて しまったというものです 大気の粒子が 火星の重力を振り切るのに 十分なエネルギーを得て 宇宙に飛散し 再び戻ってくることがなかった これは大気のある どの天体にも起きることです 彗星の尾は 大気の散逸を 目に見える形で示すものです しかし金星や地球や 火星の大気もまた 時と共に散逸していきます 単に度合いやスケールが 違っているだけです この大気の変化を 説明するため 大気がどの程度 散逸しているのかを知りたいのです

大気の粒子は 逃げ出すためのエネルギーを どこから得るのでしょう? 話を少し簡単にすると 2つの方法があります 1つは太陽光です 太陽からの光が 大気の粒子に吸収されて 粒子を温めます なんか踊っているみたいですが


なんてことだ 結婚式でも踊らなかったというのに


温められることによって 重力から抜け出すのに 十分なエネルギーを得るわけです もう1つの方法は太陽風から エネルギーを得るというものです 太陽の表面から 吐き出される粒子が 400km/秒という猛スピードで 太陽系を駆け抜けます 太陽嵐の時には さらに速くなります そして惑星間空間を抜けて 惑星とその大気に到達し 大気の粒子が 逃げ出すための エネルギーを与えることも 考えられます

これが私の 興味を持っていることで 居住可能性に かかわる話です 『3びきのくま』の話には 注意して欲しい点が 2つあると言いましたが 2つ目はもう少し 微妙なことです 父さんグマの器は 熱すぎ 母さんグマの器は 冷たすぎたなら 傾向から言って 赤ちゃんグマの器は さらに冷たいはずでは ないでしょうか? ずっとそう思い込んでいたことでも よくよく考えてみると 話はそう単純では ないかもしれません もちろん惑星の太陽からの距離が 温度を決め これは居住可能性に かかわることです しかし他にも考えるべきことが あるかもしれません もしかすると 器そのものが 何がちょうどいいのか という物語の結末に 影響を及ぼしているかもしれません

この3つの惑星には 居住可能性に影響しうる 様々な違いがありますが 私自身の研究に関係するという 利己的な理由と ここでリモコンを握っているのは私であって 皆さんじゃないという事実により ―


磁場について 少しお話ししたいと思います 地球には磁場があり 金星や火星にはありません 地球の奥深くにある 流動する液状の 導電性物質が 地球を覆う大きな磁場を 作り出していて コンパスを持っていれば どちらが北かわかります 金星や火星には 磁場はなく コンパスを持っていたって 迷子になるのは必至です


これは居住可能性に 影響するのでしょうか? どう影響しうるのか? 多くの科学者は 磁場は 大気を守る盾のように 機能すると考えています 太陽風の粒子を 惑星からそらすのです 荷電粒子に対する フォースフィールド みたいなものとして 私はむしろサラダバーの くしゃみカバーみたいに思っていますが


後でこれを見た 同僚たちは この分野の歴史上初めて 太陽風が 鼻水と同一視されているのに 気付くことでしょう


だから地球は 何十億年もの間 磁場に守られていて 大気が逃げなかったの かもしれません 火星の方は 磁場がなく その間守られずにいたので 大気の多くが はぎ取られてしまい 居住可能な惑星から 今日の姿に 変わったのかもしれません

一方で 磁場は帆船の帆のように 働くかもしれないと 考える科学者もいます 惑星本体だけの場合よりも 多くのエネルギーが 太陽風から取り込まれる ようにしていると この磁場の帆は 太陽風からの エネルギーを集め より多くの大気が逃げ出す結果に なっているのかも 検証を必要とする 考えですが その効果や働きは 確かめるまでもありません というのも 太陽風のエネルギーが 地球大気に取り込まれていることは よく知られているからです エネルギーは 磁場にそって極地へと流れ 実に美しいオーロラを 作り出します 体験すると 実に壮観なものです エネルギーが流れ込んでいるのは 分かっています どれほどの粒子が 飛び出していて それに磁場が影響しているのかどうか 測定を試みています

問題を提示しましたが 答えはまだ分かっていません まだ答えは 持ち合わせていませんが 取り組んでいます どう取り組んでいるのかというと ― 3つの惑星すべてに 探査機を送っています 今も軌道を 回っているものもあり MAVEN は火星軌道を回っています これには私自身 かかわっていて ここコロラド大学から 指揮されています 大気流出を測定できるよう 設計されています 地球と金星についても 同様のデータを取っています すべてのデータが揃ったら それを突き合わせて 3つの惑星が 周囲の宇宙環境とどのように 相互作用しているのかが分かり 磁場が居住可能性に対し 重要な意味を持つかどうかも分かるでしょう

なぜこんなことに 関心を持つべきなのか? 私はとても 関心を持っています 経済的にもですが ―


第1に この疑問への答えは この3つの惑星について 多くのことを教えてくれるでしょう 今日周囲の環境と どう相互作用しているのかだけでなく 数十億年前にはどうで 昔は居住可能だったのかどうかも それで私たちの 身近な大気について 分かるようになるでしょう それだけでなく 3つの惑星から学んだ知識は よその惑星の大気にも 適用できます 今や観測できるようになった 他の恒星系の惑星も含めて たとえばケプラー探査機は ここボルダーで製造と制御が 行われていますが 空にある切手ほどの 大きさの領域を この2年ほど観測していて 何千という惑星を 発見しています 空の他の部分と 何も違わない 切手ほどの大きさの 領域の中でです

この20年の間に 太陽系外の惑星を 1つも知らないところから あまりにたくさんあって どれから調べ始めたらいいか 分からないというところまで来ました どんなことでも助けになります 事実 ケプラーの観測結果や その他のデータから この銀河系だけで 二千億の恒星があり 平均すると恒星1つにつき 少なくとも1つ惑星があると 考えられています それだけでなく その惑星のうちの 400億から1000億個は 居住可能だろうと 見積もられています 我々の銀河だけでです

我々はそれらの惑星を 観測していますが どれが実際居住可能かは まだ分かっていません それはまるでステージ上に 囚われているようで


外には 他の世界があることが 分かっていて 是非知りたいと 思っています 問いただしてみたら 1つか2つ 自分のようなものが あるのではないかと しかし行くことは まだできません だから身近な 金星 地球 火星に対して 開発した道具を使って 他の状況に適用してみて データから 合理的な推論をすれば 居住可能な惑星の 最有力候補がどれか 分かるようになるでしょう

少なくとも 今のところは これが私たちのステージです 居住可能だと確かに分かっている 唯一の惑星です じきにもっと 見つかるかもしれませんが しかし今のところは これが唯一の居住可能な惑星であり 私たちのステージです 私たちがここにいることを 本当に嬉しく思います



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