低温度星まわりの生命居住可能惑星における 植物特性の考察とその観測に 向けて 【 実績報告 】

1. 若手研究者による分野間連携研究プロジェクト若手研究者による分野間連携研究プロジェクト 低温度星まわりの生命居住可能惑星における植物特性の考察とその観測に向けて【実績報告】 国立天文台・太陽系外惑星探査プロジェクト室 成田憲保

2. 本プロジェクトの背景 • 太陽系外惑星探査はすさまじい速さで進展している • 生命居住可能領域にある惑星も発見された • 地球や火星サイズの惑星も発見された • SFではなく、宇宙に生命の痕跡を探す時代になりつつある

3. 本プロジェクトの趣旨と目標 宇宙に生命を育む惑星は地球の他にないのか？ 天文学・生物学・惑星科学・工学の若手研究者の 分野間連携によってこれらの問題に取り組み、 近い将来に宇宙の生命探しを行う体制を確立する

4. 近い将来の生命痕跡探索：低温度星 • 宇宙で最も多く存在する恒星 • 太陽系近傍にも数多く存在している • 主星の質量が太陽の0.1-0.5倍程度で、温度は2000-3800K (太陽は約5800K) • 可視光では暗く、近赤外で明るい • 恒星のスペクトルは概ね黒体輻射 • さらに低温度星は恒星自身の分子吸収で可視光が弱い • 世界中で生命居住可能惑星の探索が始まっている

5. どのような生命の兆候を探すか？ 私たちが注目しているのは「光合成生物」（植物） • 主星の光を利用する「光合成」を行う一次生産者 • 地球の歴史上、もっとも大きく地球大気環境を変えた生物 • 低温度星の生命居住可能惑星の植物はどんな特性を持つだろうか？ • どこを探せばよいだろうか？ • どうやって探せばよいだろうか？ 若手研究者の分野間連携を確立し、この課題に取り組みたい

6. グループメンバー

7. 3つの研究テーマ • テーマA： 地球とは異なる惑星環境での植物特性の考察 • 滝澤謙二(基生研)、皆川純(基生研)、生駒大洋(東工大) • テーマB： 実際の観測による惑星の探索とその環境調査 • 成田憲保(国立天文台)、田村元秀(国立天文台)、Eric Gaidos(ハワイ大) • テーマC： 将来の30m級望遠鏡に向けた装置開発 • 松尾太郎(京都大学)、小谷隆行(宇宙研)、村上尚史(北大)

8. 各グループの役割と連携関係 テーマA（理論） 低温度星まわりでの「生命居住 可能領域」及び「植物特性」の 理論的考察 候補天体への 理論的示唆 候補天体の情報 3つのテーマで個々に目的を達成しつつ、有機的連携体制を作る 候補天体への 理論的示唆 装置仕様の インプット 装置仕様から制限 される観測天体 テーマB（観測） テーマC（装置開発） トランジット観測による低温度星 まわりでの地球型惑星探索 地球型惑星の直接観測の ための新しい観測手法の実証 候補天体の提供 ワークショップやミーティングを通して情報交換や共同研究を行う

9. テーマAの概要 • 理論的考察と実験によって、観測への示唆を検討 • 実験：地球上の植物が持つred edgeという特性を、水生緑藻のクラミドモナスや、進化的に高等植物との中間に位置するヒメツリガネゴケを用いた実験で理解する • 理論：地球上の植物特性の類推から、低温度星の地球型惑星でありうる植物の可能性を検討する • あらゆる色の光を使う黒い植物？ • 低温度星の弱い可視光でも地球型の光合成が可能？ • 赤外光を使った光合成の3光子反応？

10. 実験によるRed Edgeの特性評価 • 生育段階によって異なる形態を示すヒメツリガネゴケの原糸体(赤)と茎葉体(青)を比較しても、高等植物のオシロイバナ(黒)と似た特性で特に差はなかった • クラミドモナスの野生株（黒印）と細胞壁欠損株（赤印）の反射スペクトルの680nmと750nmの反射比からRed Edgeを求めても特性に差が見られなかった Red Edgeは色素濃度でほぼ決定されており、 植物形態や細胞構造の影響は小さいことがわかった

11. 低温度星周りでの光合成の可能性 H2O O2 8 Red Photon 8 Blue Photon ２NADPH CO2 Light Harvest Electron Flow Proton Flow Carbon Fixation 2180kJ 1390kJ 1390kJ 440kJ or ３ATP CH2O 135kJ 480kJ 65-100％ 40％ 85％ 低温度星 3,000～3,800K 低温度星まわりでH2Oを分解し、CO2を固定するエネルギーを得るために必要な光合成機構は何か？

12. 三つの可能性を検証 進化 特性 機能的問題点 広スペクトル集光アンテナで少ない可視光を無駄なく利用 空間利用効率が悪い 光量の変化に弱い A．黒い植物 吸収波長の異なる二つの反応中心で可視光と赤外線を無駄なく利用 波長の変化に弱い B．省エネ型 電子伝達 電子伝達経路の改善によりエネルギーの消耗を減らす 量子収率が下がる 活性酸素の発生 pH依存の制御機構 の欠落 電子伝達とATP合成を分離 三つ以上の反応中心を連続励起して電子伝達を駆動 構造が複雑になると効率が低下する C．3光子過程

13. 3光子過程の構造的問題点 2光子過程（地球型） 3光子過程 ③ ② ① 必要な エネルギー 電子伝達（酸化還元）反応 電子伝達（酸化還元）反応 2光子過程を単純に延長して3光子過程を構築した場合、電子伝達経路が長くなり、途中で失われるエネルギーが増大する（①）。3光子過程が有効であるためには、電子伝達経路が2光子過程と同等にシンプルであるか（②）、反応段階毎に失われるエネルギーを少なくしなければならない（③）。 電子伝達の省力化が必要十分条件であり、2光子過程を省力化できれば3光子過程を必要としない。

14. 3光子過程の進化的問題点 遺伝子の重複、変異、細胞融合によって1光子反応から3光子反応まで進化できるか？ チラコイド膜上に反応中心（0，1，2） と電子伝達経路を配した模式図 2光子過程は中間の電子伝達経路を共有することによって重複した1光子過程から進化できるが、3光子過程の実現には電子伝達経路の大幅な変更や、全く新しい反応中心が必要になる（破線で示したような回路のショートを防ぐため）。 0 0 0 2 2 0 0 1 1 1 0 0 3 3 3 3 3 0 0 3 2 2 0 2 2 2 0 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 2 1 3 2 1 2 1 2 1 3 2 1

15. 三つの可能性を検証 進化 特性 機能的問題点 広スペクトル集光アンテナで少ない可視光を無駄なく利用 空間利用効率が悪い 光量の変化に弱い A．黒い植物 吸収波長の異なる二つの反応中心で可視光と赤外線を無駄なく利用 波長の変化に弱い B．省エネ型 電子伝達 電子伝達経路の改善によりエネルギーの消耗を減らす 量子収率が下がる 活性酸素の発生 pH依存の制御機構 の欠落 電子伝達とATP合成を分離 三つ以上の反応中心を連続励起して電子伝達を駆動 構造が複雑になると効率が低下する C．3光子過程

16. 黒い植物：無駄なく集光する色素を備える Hohmann-Marriott & Blankenship (2011)Annu Rev Plant Biol

17. 省エネ型：電子伝達を効率化する H2O O2 赤色光ｘ８ ２NADPH CO2 集光 電子伝達 プロトン輸送 炭素固定 1380kJ 440kJ 1380kJ (青色光ｘ８) ３ATP CH2O (2180kJ) 135kJ 480kJ 65-100％ 40％ 85％ プロトン輸送（ATP合成）を伴わずに４０%の効率で電子伝達を行うとすると、吸収波長は910nmまでシフト可能。

18. 結論：集光、電子伝達を最適化した光合成生物の存在と観測的検証が期待できる結論：集光、電子伝達を最適化した光合成生物の存在と観測的検証が期待できる 実現 可能性 観測 可能性 利用波長 特性 広スペクトル集光アンテナで少ない可視光を無駄なく利用 A．黒い植物 可視光 吸収波長の異なる二つの反応中心で可視光と赤外線を無駄なく利用 可視光 ~1050nm B．省エネ型 電子伝達 電子伝達経路の改善によりエネルギーの消耗を減らす ~910nm 電子伝達とATP合成を分離 C．3光子過程 3光子による連続励起 ~1030nm - - 4光子による連続励起 ~1380nm Astrobiology誌に論文を投稿準備中

19. テーマBの概要 • 低温度星まわりの地球型惑星の探索体制の確立が目標 • 太陽系近傍にある低温度星の惑星を探すため、赤外望遠鏡の測光精度の高精度化に取り組んだ • 岡山、南アフリカ、チリにある1-2m級望遠鏡で試験観測を実施 • 全ての望遠鏡で惑星発見が可能となる0.1-0.3%の測光精度を達成 • 既知の惑星系の大気や軌道の特徴付けも行った • 低温度星のトランジット惑星候補の選定を行い、岡山観測所で実際の惑星探しの観測を開始した • 2012年2月～5月にかけて12夜の観測を実施予定 • データ解析の自動化を進めている

20. 今年度達成できたこと • 今後数年間で観測するターゲットカタログの選定 • 今後利用する３つの望遠鏡全てでの高精度測光観測の実現 • 観測と解析を実施できる人材の育成 • 自動解析体制の構築(2012年3月の観測時に試験予定) 岡山188cm望遠鏡 IRSF1.4m望遠鏡 miniTAO1m望遠鏡

21. 岡山観測所での惑星探しを開始 岡山のプロポーザル評価と岡山に設置した解析用マシン

22. 既知の惑星系の特徴付け Fukui et al. in prep 左：既知の地球型惑星GJ1214bの多波長同時トランジット（南アフリカ） 上：既知のホットジュピターWASP-12bが主星の裏側に隠れる現象の検出（岡山） どちらも高精度化によって初めて実現できた GJ1214 Narita et al. in prep

23. テーマCの概要 • 将来ハワイに設置される予定の30m望遠鏡(TMT)に向けて、実際の観測を行うための装置開発を行う • Second Earth Imager for TMT (SEIT) • TMTで地球型惑星を直接撮像する装置 • シミュレーションによる観測手法の検証を実施済み • 今年度の開発目標 • SEIT光学系を実験室で構築すること • 主星超近傍での高コントラストを可能にする「新しい観測方式」を実証すること

24. どのように惑星を見つけるか？ • 大気により乱れた波面を補償光学により整える。 • コロナグラフにより恒星の光だけを弱め合う。 • ポストプロッセシング型の波面測定装置により波面残差を測定し、更なる高コントラスト化を行う。 主星が強め合う光 マイクロレンズアレイ + 空間フィルター TMT 主星が 弱め合う光 スペックル 波面をクリア 波面測定装置： ポストプロセッ シングによる 高コントラスト化 極限補償光学 コロナグラフ装置 焦点面マスク： PSFコアを取り除く

25. 実証実験 • 実験方針： - 目標とするコントラスト（10の8乗）は数年のタイムスケールで達成する。 • 実験一年目は、方式の実証を目的として設定条件を緩和する。 • 実験条件： • 恒星と伴星の強度比：100 • 恒星と伴星の角距離：回折限界の2倍（2λ/D）

26. 実験 瞳像 干渉縞 光源 波面測定装置 干渉型コロナグラフ 再生した像 結果：SEIT光学系を構築し、像再生に成功した。 主星の超近傍(回折限界)でコントラスト（1/100）を達成。　 今後：更なる高コントラスト化(1/10000)を目指し、 実観測に向けた準備を行う。

27. 本プロジェクトの支援で得られた業績 • 国内会議：招待講演2件、口頭発表11件、ポスター発表1件 • 国際会議：口頭発表1件、ポスター発表4件 • 論文：査読あり3件、準備中3件 • ワークショップ開催：1回

28. まとめ • 低温度星のまわりの生命居住惑星の探索とそこでの生命の痕跡の探索は今後最もホットになる研究テーマ • このテーマに取り組む若手研究者の分野間連携体制を確立するため、理論・観測・装置開発の三位一体のグループ作りを行ってきた • 本プロジェクトでは個々の設定した目標を達成しつつ、共同研究を推進することができた • 今後もこの取り組みを続けていきたい • 自然科学研究機構によるご支援に深く感謝いたします

29. 補足スライド：テーマA

30. なぜ“植物”を探すのか？ 進化の必然性が高い：　惑星の全域で、持続的（数十億年）に利用可能な一次エネルギー源は主星からの放射エネルギー以外に無い。効率のよい光エネルギーの利用を追及すれば“植物”に行きつく。 観測可能性が高い：　光合成生物が進化した場合、海洋・大気成分組成に大きな変化をもたらす。陸生植物が存在した場合、反射光のスペクトル分析から検出できる可能性が高い。 主星からの光条件に依存した進化 主星の影響をそれほど受けない進化 好気・陸生 光合成生物 知的生物の進化？ 嫌気・陸生 光合成生物 観測可能性 好気・水生 光合成生物 嫌気・水生 光合成生物 原始細胞 （発酵） 従属栄養生物の進化 有機 化合物 生体膜 形成 進化に要する時間（実現可能性の低下）

31. 低温度星まわりでの植物進化の検証（理論） 低温度星周りの惑星環境の推定 ３．実現可能性の検証 ２．植物特性の推定 生体構造、生化学反応として可能なのか？ 弱い可視光・強い赤外線 3段階光励起反応による 電子伝達 機能性 の検証 定期的に強いフレア 広域スペクトルの集光色素 進化過程 の検証 原始細胞（発酵）からの進化プロセスが想定可能か？ 日周リズムが無い 合理的に推測される植物特性を総合して低温度星まわりで進化する植物の全体像を予想する。

32. 観測に役立つ植物特性の検証（実験） 最有力の観測指標の一つとして植生の反射光スペクトルに現れる “Red Edge” がある。 植物が利用する可視光より長波長側に強い反射のピークが現われる。 地球上の植物には共通して見られる現象であるが、系外惑星においても普遍的な現象であると言えるのか実験により検証する。 Tinetti et al. (2006) The Astrophysical Journal Red Edgeの測定 反射分光測定装置 （有限会社オーリー）

33. 観測に役立つ植物特性の検証（実験） 水生緑藻のクラミドモナス、陸生植物のシロイヌナズナ、及び進化的にその中間に位置するヒメツリガネゴケを用いてRed Edge と形態・光合成機能の関係を調べる クラミドモナス ヒメツリガネゴケ シロイヌナズナ 原糸体 茎葉体 水生藻類から陸生植物への形態の変化

34. 観測に役立つ植物特性の検証（実験） 水生緑藻のクラミドモナス、陸生植物のシロイヌナズナ、及び進化的にその中間に位置するヒメツリガネゴケを用いてRed Edge と形態・光合成機能の関係を調べる 光合成活性の測定：クラミドモナス用に開発した分光光度計を改良して3種の光合成活性を測定する。 クロロフィル蛍光測定 吸光度測定 Takizawa et al. (2009) Photosynthesis Research Iwai et al. (2010) Nature

35. 補足スライド：テーマB

36. 背景１ • なぜ近赤外で低温度星のトランジット観測か？ • 低温度星は小さいので地球型惑星のトランジットも地上から検出可能（減光率 1%オーダー） -> 地球型惑星にもっとも手が届きやすいのが低温度星 • 低温度星は可視では暗いが、近赤外では～5等(100倍)程度明るくなる → 近赤外の方が測光精度が高い • そのため低温度星まわりのトランジット地球型惑星探しは近赤外での観測が重要になる

37. 背景２ • なぜ低温度星のトランジットが注目されているか？ • 低温度星はハビタブルゾーンが主星に近く、ハビタブルな惑星のトランジット確率が高い • 公転周期が短いので発見の確認や追観測にかかる時間が短い • トランジット惑星は多くの派生サイエンスがあり、TMTやSPICAの時代に最も注目されるターゲット • そのため特に太陽系近傍の低温度星まわりの（ハビタブルな）トランジット惑星探しとそのフォローアップ観測は、今後系外惑星観測のひとつの主流になると期待される

38. 補足スライド：テーマC

39. 地球のスペクトル 102 • 地球は可視光では太陽の反射光により輝く。 • 赤外線では自身の熱放射により　　　輝く。 100 太陽 10-2 CO2 O3 10-4 CH4 強度（Jy） O2 H2O 10-6 H2O 地球 10-8 10-10 0.1 1.0 10.0 100 波長（µm） 1Jy=10-23erg/s/cm2/Hz

40. 惑星直接観測のための条件 主星の回折像 主星のハロー 1.E-02 • 主星のハローに埋もれた惑星光を観測。 • 主星のハローだけを選択的に低減させる特殊な装置、コロナグラフが必要。 木星型惑星 ハロー 低減 コントラスト 1.E-06 地球型惑星 ハロー 低減後 1.E-10 0.0 0.08 0.04 主星からの離角（秒角） コントラスト：主星と惑星との強度比

41. 惑星 恒星 コロナグラフとは？ 望遠鏡（主鏡） ○ 主星からの光だけを選択的に低減。 ○ 惑星光だけを取り出す。 遮蔽版（マスク） 主星の光はマスクによって 隠される 役割：恒星の光だけを 　　　選択的に低減 中心に穴の空いたマスク 役割：回折によって透過した 恒星の光を遮る サイエンスイメージ サイエンスカメラ

42. SEITの観測方式 回折限界 主星とのコントラスト８桁 シミュレーション結果 ○ 要求仕様：回折限界で10の8桁の高いコントラスト • 新しい観測方式を提案（松尾他 2011） • ポイントは、地球大気による波面の乱れを補償光学なしで • 完璧に補正するできること！ • ○ シミュレーションにより要求仕様を満たすことを確認