全 15 章の第 12 章
分子と生命
各気体はそれぞれ固有の波長で吸収する。分子の形が振動の仕方を決め、その振動が赤外線のどこで吸収するかを決める。単一の気体だけでは生命の証拠にならない。バイオシグネチャーには文脈が必要である。
説明図
N 個の原子からなる分子には 3N − 6 通りの振動のしかたがある（直線状なら 3N − 5）: 水は3つ、二酸化炭素は4つ（変角振動が互いに直角な方向に2つある）、メタンは9つ。モードが赤外光を吸収するのは、分子の双極子を変化させる場合に限られる。そのため、CO₂ の対称伸縮（7.50 µm）、O₂ の伸縮、メタンの4つの基本振動のうち2つは赤外で不活性である。モードが作るバンドは「大気を読む」の章で示されるものである: 水の2つの伸縮（2.66 µm と 2.73 µm）が 2.7 µm バンドを、メタンの ν₃ が 3.3 µm バンドを、CO₂ の非対称伸縮が 4.26 µm バンドを、CO の伸縮が 4.67 µm バンドを作る。
バンド位置：アトラスのNIST CCCBDB基準振動数、λ = 10⁴/ν̃。変位は重心を固定し正味の回転をなくした、対称性の上で正しいスケッチであり、力場計算ではない。どのモードでも最も大きく動く原子の振れ幅は0.2 Åとし、それが零点運動（そのモードの振動数でħ/2ωから求めた二乗平均平方根変位）をどれだけ誇張しているかをステージに示す：ν₁における水の水素原子ではこれが0.047 Åなので、×4で描いている。時間は10¹³～10¹⁴倍に遅くしてあり、各モードの倍率はステージに示す。
H₂O 水
- 幾何
- 折れ線形、結合長 0.958 Å、結合角 104.48° (CCCBDB)
- バンド (µm)
- 1.4、1.9、2.7（基本振動 2.66 と 2.73）、6.27
- 振動
- ν₁ symmetric stretch · 2.73 µm · infrared-active · drawn ×4 · the 2.7 µm band in Reading atmospheres ›
- ν₂変角振動 · 6.27 µm · 赤外活性 · ×3で描画 · 「Reading atmospheres」の0.5–5.1 µmの範囲外
- ν₃ asymmetric stretch · 2.66 µm · infrared-active · drawn ×4 · the 2.7 µm band in Reading atmospheres ›
- 観測元
- HST/WFC3（1.4 µm 付近）、JWST NIRISS、NIRSpec、MIRI
- 系外惑星の検出
- WFC3 による HD 209458 b と XO-1 b（Deming et al. 2013）
- JWST による WASP-39 b（JWST ERS Team 2023）
- 重要な理由
- 温かい惑星の大気で最も一般的な分子。ほとんどのスペクトルの形を決める。
- 生命なしで？
- 通常の化学反応と脱ガスによってどこでも生成される。バイオシグネチャーではない。
CO₂ 二酸化炭素
- 幾何
- 直線形、結合長 1.162 Å (CCCBDB)
- バンド (µm)
- 4.26(非常に強い)、15.0。7.50 µm の対称伸縮は赤外不活性
- 振動
- ν₁ 対称伸縮 · 7.50 µm · 赤外不活性（双極子が変化しない） · ×10 で描画 · 「大気を読む」の 0.5–5.1 µm の範囲外
- ν₂変角振動（直交する2つ） · 15.00 µm · 赤外活性 · ×5で描画 · 「Reading atmospheres」の0.5–5.1 µmの範囲外
- ν₃ asymmetric stretch · 4.26 µm · infrared-active · drawn ×10 · the 4.26 µm band in Reading atmospheres ›
- 観測元
- JWST NIRSpec G395H/PRISM (4.3 µm), MIRI (15 µm)
- 系外惑星の検出
- WASP-39 b, 26σ at 4.3 µm (JWST ERS Team 2023)
- K2-18 b, 3σ (Madhusudhan et al. 2023)
- 重要な理由
- 惑星の金属量と化学をたどる。あらゆるバイオシグネチャーの主張に対して文脈となるガスである。
- 生命なしで？
- 火山活動や熱化学反応で容易に生成される。
CO 一酸化炭素
- 幾何
- 二原子、結合長 1.128 Å (CCCBDB)
- バンド (µm)
- 4.67 基本振動
- 振動
- ν stretch · 4.67 µm · infrared-active · drawn ×10 · the 4.67 µm band in Reading atmospheres ›
- 観測元
- JWST NIRSpec、2.3 µm 付近の地上高分散分光器
- 系外惑星の検出
- HD 209458 b、軌道運動を含む（Snellen et al. 2010）
- 重要な理由
- CO₂ や H₂O とともに、高温大気の炭素と酸素のバランスを決める。
- 生命なしで？
- CO₂ の光分解と高温の熱化学。生命の兆候ではなく、むしろ生命に否定的な兆候と解釈されることが多い。
CH₄ メタン
- 幾何
- 正四面体型、結合長 1.087 Å、結合角 109.47°（CCCBDB）
- バンド (µm)
- 1.65, 2.4, 3.3 (ν₃ 3.31), 7.66
- 振動
- ν₁ 対称伸縮 · 赤外不活性（双極子が変化しない） · アトラスに波長なし
- ν₂ 変角（2つ） · 赤外不活性（双極子が変化しない） · アトラスに波長なし
- ν₃ asymmetric stretch (three) · 3.31 µm · infrared-active · drawn ×6 · the 3.3 µm band in Reading atmospheres ›
- ν₄ 逆対称変角振動(三重) · 7.66 µm · 赤外活性 · ×4で描画 · 「大気を読む」の0.5–5.1 µmのウィンドウ外
- 観測元
- JWST NIRSpec, NIRISS, MIRI
- 系外惑星の検出
- WASP-80 b (Bell et al. 2023)
- K2-18 b, 5σ (Madhusudhan et al. 2023)
- 重要な理由
- O₂と組み合わさると、生物圏が維持しうる古典的な非平衡の組み合わせとなる。
- 生命なしで？
- 超苦鉄質岩の蛇紋岩化（現在の地球における主な非生物的供給源）と、低温のH₂大気中での熱化学。
O₂ 酸素
- 幾何
- 二原子、結合長 1.208 Å (CCCBDB)
- バンド (µm)
- 0.76（Aバンド）、0.69、0.63；1.06と1.27にO₂–O₂対；6.43 µmの振動基本音は赤外不活性
- 振動
- ν伸縮 · 6.43 µm · 赤外不活性（双極子が変化しない） · ×11で描画 · 「Reading atmospheres」の0.5–5.1 µmの範囲外
- 観測元
- 反射光(将来のHWO)、地上からの0.76 µmでの高分散観測
- 系外惑星の検出
- 系外惑星ではこれまでのところ例がない。
- 重要な理由
- 地球で最も顕著なバイオシグネチャーガスだが、文脈の中でのみ意味をもつ。
- 生命なしで？
- 一部の恒星の周囲でのCO₂の光分解、または水の喪失後の大規模な水素散逸。
O₃ オゾン
- 幾何
- 折れ線形、結合長 1.278 Å、結合角 116.8° (CCCBDB)
- バンド (µm)
- 0.25（紫外）、0.5–0.7（Chappuis）、9.65（中間赤外で最強）；基本振動 9.01、9.60、14.2
- 振動
- ν₁ 対称伸縮 · 9.01 µm · 赤外活性 · ×10 で描画 · 「大気を読む」の 0.5–5.1 µm の範囲外
- ν₂変角振動 · 14.20 µm · 赤外活性 · ×9で描画 · 「Reading atmospheres」の0.5–5.1 µmの範囲外
- ν₃ 逆対称伸縮 · 9.60 µm · 赤外活性 · ×8 で描画 · 「大気を読む」の 0.5–5.1 µm の範囲外
- 観測元
- 紫外・可視ではHWO、9.6 µmではLIFEなどの中間赤外ミッション
- 系外惑星の検出
- 系外惑星ではこれまでのところ例がない。
- 重要な理由
- O₂ の感度の高い指標で、O₂ 自体が見えにくい場合でも見える。
- 生命なしで？
- 非生物的なO₂による光化学。一部のM型・F型矮星の周りで起こりやすい。
N₂O 亜酸化窒素
- 幾何
- 直線形、結合長 1.128 Å (CCCBDB)
- バンド (µm)
- 3.7, 4.5, 7.8, 8.6, 17
- 振動
- 主に N–N 伸縮 · 4.50 µm · 赤外活性 · ×12 で描画 · 「大気を読む」では描画しない
- 主にN–O伸縮 · 7.78 µm · 赤外活性 · ×9で描画 · 「Reading atmospheres」の0.5–5.1 µmの範囲外
- 変角（直交する2つ） · 17.00 µm · 赤外活性 · ×5で描画 · 「Reading atmospheres」の0.5–5.1 µm の範囲外
- 観測元
- JWST MIRI; LIFE
- 系外惑星の検出
- 系外惑星ではこれまでのところ例がない。
- 重要な理由
- 地球上の生命によって作られ、その水準では非生物的な発生源はほとんどない。
- 生命なしで？
- フレア、高エネルギー粒子、雷。これらは N₂O よりはるかに多くの NOₓ を生成するため、判別の手がかりとなる。
NH₃ アンモニア
- 幾何
- 三角錐形、結合長1.012 Å、結合角106.67°(CCCBDB)
- バンド (µm)
- 2.90, 3.00, 6.15, 10.5
- 振動
- ν₁ 対称伸縮振動 · 3.00 µm · 赤外活性 · ×5 で描画 · Reading atmospheres では描画しない
- ν₂ 傘振動 · 10.50 µm · 赤外活性 · ×3で描画 · 「Reading atmospheres」の0.5–5.1 µm の範囲外
- ν₃ 非対称伸縮(2つ) · 2.90 µm · 赤外活性 · ×4で描画 · 「大気を読み解く」では描画しない
- ν₄ 非対称変角振動(2つ) · 6.15 µm · 赤外活性 · ×3で描画 · Reading atmospheresの0.5–5.1 µmの範囲外
- 観測元
- JWST MIRI (10.5 µm), NIRSpec
- 系外惑星の検出
- 系外惑星ではこれまでのところ例がない。
- 重要な理由
- 低温の巨大惑星に豊富に存在する。その枯渇は内部熱の推定に用いられてきた。
- 生命なしで？
- 水素大気の深部での熱化学による。紫外線で速やかに破壊される。
PH₃ ホスフィン
- 幾何
- 三角錐形、結合長1.421 Å、結合角93.3°(CCCBDB)
- バンド (µm)
- 4.30、8.94、10.1。金星での主張には 267 GHz のミリ波輝線が使われた
- 振動
- ν₁ 対称伸縮振動 · 4.30 µm · 赤外活性 · ×4 で描画 · Reading atmospheres では描画しない
- ν₂ 傘振動 · 10.10 µm · 赤外活性 · ×3で描画 · 「Reading atmospheres」の0.5–5.1 µm の範囲外
- ν₃ 非対称伸縮(2つ) · 4.30 µm · 赤外活性 · ×3で描画 · 「大気を読み解く」では描画しない
- ν₄ 非対称変角振動(2つ) · 8.94 µm · 赤外活性 · ×2で描画 · Reading atmospheresの0.5–5.1 µmの範囲外
- 観測元
- JWST MIRI、金星については ALMA と JCMT
- 系外惑星の検出
- 系外惑星ではこれまでのところ例がない。
- 重要な理由
- 岩石惑星のバイオシグネチャーとして提案されている。岩石惑星では生命なしに生成されにくいためである。
- 生命なしで？
- 巨大惑星の深部の高温化学で生成される。それ以外の岩石惑星では非生物的に作るのは難しいと考えられている（Bains et al. 2021）。
DMS 硫化ジメチル
- 幾何
- dms、結合長 1.802 Å、結合角 98.9°(CCCBDB)
- バンド (µm)
- 3.3–3.4（C–H 伸縮）、6–7、≈10、≈15
- 観測元
- JWST MIRI LRS、NIRSpec（3.3 µmはメタンと重なる）
- 系外惑星の検出
- K2-18 b：暫定的で異論がある（下記参照）（Madhusudhan et al. 2025）
- 重要な理由
- 地球では、ほぼ海洋生物のみが生成する。
- 生命なしで？
- 現代の地球では既知の非生物的発生源は少ない。恒星光によって速やかに分解される。
SO₂ 二酸化硫黄
- 幾何
- 折れ線形、結合長 1.432 Å、結合角 119.5° (CCCBDB)
- バンド (µm)
- ≈4.05（結合音バンド）、7.34、8.69、19.3
- 振動
- ν₁ 対称伸縮 · 8.69 µm · 赤外活性 · ×10 で描画 · 「大気を読む」の 0.5–5.1 µm の範囲外
- ν₂変角振動 · 19.30 µm · 赤外活性 · ×7で描画 · 「Reading atmospheres」の0.5–5.1 µmの範囲外
- ν₃ 逆対称伸縮 · 7.34 µm · 赤外活性 · ×13 で描画 · 「大気を読む」の 0.5–5.1 µm の範囲外
- 観測元
- JWST NIRSpec G395H/PRISM, MIRI LRS
- 系外惑星の検出
- WASP-39 b：光化学的に生成された SO₂（Tsai et al. 2023）
- 中間赤外での WASP-39 b（Powell et al. 2024）
- 重要な理由
- 系外惑星大気で初めて観測された光化学生成物:恒星光が化学反応を駆動している。
- 生命なしで？
- 光化学と火山活動。
Na ナトリウム
- 幾何
- 原子（CCCBDB）
- バンド (µm)
- 0.589（D線、589.0 および 589.6 nm）
- 観測元
- 可視光の透過スペクトル（HST、地上の高分散分光）
- 系外惑星の検出
- HD 209458 b：最初の系外惑星大気（Charbonneau et al. 2002）
- 重要な理由
- Seager & Sasselov 2000 によって予測され、初めて検出された大気である。
- 生命なしで？
- 高温大気中の原子ナトリウム。バイオシグネチャーではない。
K カリウム
- 幾何
- 原子（CCCBDB）
- バンド (µm)
- 0.767 (766.5 and 769.9 nm)
- 観測元
- 可視光透過
- 系外惑星の検出
- XO-2 b (Sing et al. 2011)
- 重要な理由
- ナトリウムと併せて、高温巨大惑星の雲と温度を探る手がかりとなる。
- 生命なしで？
- ナトリウムと同様。バイオシグネチャーではない。
バイオシグネチャーのチェックリスト
- 検出の有意度。 何シグマで、いくつの独立した解析によるものか。
- 文脈。恒星、惑星の温度、存在する他の気体（Meadows et al. 2018）。
- 非平衡。 供給源がなければ反応して消えてしまう気体の組み合わせ。例えば O₂ と CH₄（Krissansen-Totton et al. 2018）。
- 非生物的な起源の排除。そのガスを生成しうる非生物的な経路をすべて検討する（Schwieterman et al. 2018; Catling et al. 2018）。
このチェックリストを満たした気体は、どの惑星にもない。地球外で生命は検出されていない。
金星のホスフィン: 議論が続いている
2020：JCMT と ALMA の観測から金星の雲にホスフィンが報告された（Greaves et al. 2020）。再解析では有意な検出は得られず（Snellen et al. 2020; Villanueva et al. 2021）、元のチームによる反論がある（Greaves et al. 2021）。現在も論争中である。
K2-18 b の DMS：暫定的、議論あり
2023:H₂に富む大気中のメタンとCO₂、およびDMSの「潜在的な兆候」(Madhusudhan et al. 2023)。2025:DMSおよび/またはDMDSと整合する約3σのMIRIの特徴(Madhusudhan et al. 2025)。独立した解析では証拠が不十分とされた(Schmidt et al. 2025; Luque et al. 2025)。確立されていない。