アストロバイオロジーセンター(ABC)の小松勇研究員らは、将来の太陽系外惑星の観測における生命の痕跡バイオシグネチャーとして、光合成由来の蛍光がどのように検出され得るかを数値シミュレーションによって初めて見積もり、光合成の知見に基づいて詳細に議論しました。その結果、将来計画されている口径6mの宇宙望遠鏡では蛍光検出は難しいものの、TRAPPIST-1などの超低温矮星周りの惑星で同定しやすくなる条件・特徴があることが示唆されました。生物学から天文学まで複数の分野を跨いだ議論によって得られたこの結果は、米国の科学誌『The Astrophysical Journal』のオンライン版に2023年1月11日付で掲載予定です（Komatsu et al., 2023)。

太陽系外惑星における生命探査は、アストロバイオロジー分野のもっとも重要なテーマの一つです。そのような生命存在の証拠となるものとして、光合成由来の光の特徴的なパターンを示す痕跡バイオシグネチャー（注１）を検出することが期待されています。その１つがレッドエッジ（注２）という、植生により反射する光のスペクトルの分光学的特徴です。例えば現在観測ターゲットとなっている太陽より軽く、宇宙に数多い軽い恒星（M型矮星）周りの惑星における光環境は太陽系の地球と大きく異なり、そこでレッドエッジがどのように現れるかが議論されています。

光合成において太陽光から吸収した光エネルギーは、光化学反応に使われるか、蛍光（注３）や熱として放出されます（図2）。地球のリモートセンシングではレッドエッジだけでなく、近年この蛍光も観測されており、レッドエッジによって惑星表面を覆う植生の量を計測するのに対して、蛍光はストレス状態など、より詳細な光合成の活動を推定するのに使われます。そこで我々は、レッドエッジとは異なる発展的なバイオシグネチャーとして光合成由来の蛍光が有望であるかを検証しました。

本研究では、太陽型星と、２つのM型矮星（GJ667C、TRAPPIST-1）をそれぞれ公転する地球型惑星において、異なる惑星大気や地表の条件を想定して、蛍光がどのように惑星のスペクトルに現れるかをシミュレーションしました。光合成生物の光吸収・蛍光スペクトルとしては、クロロフィルa, bを含む典型的な植生（Chl）、バクテリオクロロフィルbを持つ紅色細菌（BChl）の２つのものを用い、生息域における放射場の下で獲得した光子数に応じて適切にスケールさせて蛍光強度を決定しました。また、これらの光吸収スペクトルを用いて放射輸送計算（注４）によって葉の反射スペクトルを算出しました。このように光吸収・蛍光・反射を首尾一貫して扱うモデルを開発し、惑星スペクトルにどのように現れるかを調べました。

数値シミュレーションの結果、BChlの場合、雲や1,000 nm付近の強い吸収体がなければ、レッドエッジの検出と併せて、蛍光が光合成の痕跡を同定するバイオシグネチャーになりうることが示されました（図３）。ただし、NASAが計画する将来の口径6mの宇宙望遠鏡（以前の検討ではLUVOIR、現在はHabitable Worlds Observatoryと呼ばれる）を想定したノイズモデルを太陽型星周りに用いると、蛍光を同定するには非常に長期間の観測時間を要することもわかりました。興味深いことに、TRAPPIST-1のような超低温星は、恒星大気における酸化バナジウム（VO）や水素化鉄（FeH）、カリウムなどの吸収が強く、これらの吸収によって恒星からのフラックスが小さい波長域で、惑星からの蛍光が放出されると見かけの反射率が顕著に大きくなりました。これは、TMTなどの将来の超大型地上望遠鏡によって高分散で蛍光を観測するのに良い特徴である可能性があり、今後検証が必要です。さらには、光合成の生理学的な観点から蛍光を大きく発する条件を考察し、また非生物的にも発生する蛍光から生物由来の蛍光と区別するには入射する光に対して発光強度が非線形になる特徴を捉えることが重要であることなどの議論がなされています。

ABCでは、研究分野としての天文学・生物学、また、研究手段としての観測・実験・理論の垣根を超えた若手による分野連携が活発に行われています。本研究はこのような活動の結果が学術論文としてまとめられたものです。これはまさに、生物学と天文学、また、理論と観測をつなぐ成果といえるでしょう。

脚注：
(注1) 酸素やオゾン、メタンなどの大気分子や、地表の特徴を捉えることが考えられている。
(注2) 700 nm付近で葉の反射スペクトルが急激に増大する特徴。
(注3) 光を受けて電子励起したものがエネルギーの低い状態になるときに発する光。
(注4) 光の伝搬を扱う計算手法。

論文情報：
雑誌：The Astrophysical Journal
タイトル：Photosynthetic Fluorescence from Earth-like Planets around Sun-like and Cool Stars
著者：小松 勇, 堀 安範, 葛原 昌幸, 小杉 真貴子, 滝澤 謙二, 成田 憲保, 大宮 正士, キム ウンチュル, 日下部 展彦, ヴィクトリア メドウズ , 田村 元秀 
DOI: 10.3847/1538-4357/aca3a5
アーカイブ: http://arxiv.org/abs/2301.03824

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Yu Komatsu, a researcher at the Astrobiology Center (ABC), and his collaborators estimated for the first time by numerical simulation how photosynthesis-derived fluorescence could be detected as a biosignature of life in future observations of extrasolar planets and discussed in detail based on our knowledge of photosynthesis. The results suggest that although fluorescence detection will be difficult with a future planned 6-meter aperture space telescope, some conditions and features will facilitate the identification of planets around ultra-cool dwarfs such as TRAPPIST-1. The results, which were obtained through discussions across multiple disciplines from biology to astronomy, were published in the online edition of the American scientific journal “The Astrophysical Journal” on 11th January, 2023 (Komatsu et al., 2023).

The search for life on exoplanets is one of the most important themes in the field of astrobiology. As evidence for the existence of such life, it is expected to detect biosignatures (Note 1) that show characteristic patterns of photosynthesis-derived light. One of these is the red edge (Note 2), a spectroscopic feature of the light spectrum reflected by vegetation. For example, the light environment of planets around stars lighter than the Sun (M dwarfs), which are currently the target of observation, is very different from that of the Earth in our solar system, and it is under discussion how the red edge appears.

In photosynthesis, light energy absorbed from sunlight is either used for photochemical reactions or released as fluorescence (Note 3) or heat (Figure 2). Remote sensing of the Earth has recently observed the fluorescence as well as the red edge. The red edge allows us to measure the amount of vegetation covering the planetary surface, whereas the fluorescence is used to estimate more detailed photosynthetic activity, such as stress conditions. We, therefore, tested the promise of photosynthetically derived fluorescence as an advanced biosignature in addition to the red edge.

In this study, we simulated how fluorescence appears in planetary spectra for a Sun-like star and an Earth-like planet orbiting two M-type dwarfs (GJ667C and TRAPPIST-1), respectively, assuming different planetary atmospheres and surface conditions. We used two light absorption and fluorescence spectra of photosynthetic organisms: typical vegetation with chlorophyll a and b (Chl) and purple bacteria with bacteriochlorophyll b (BChl). We determined the fluorescence intensity by appropriately scaling it according to the number of photons acquired under radiation fields in the habitat. Using these light absorption spectra, we also calculated the leaf reflection spectra by means of radiation transfer calculations (Note 4). In this way, we developed a model that consistently handles light absorption, fluorescence, and reflection, and investigated how they appear in planetary spectra.

Numerical simulations showed that, in the case of BChl, in the absence of clouds or strong absorbers around 1,000 nm, the fluorescence, together with the detection of red edges, can be a good biosignature to identify traces of photosynthesis (Figure 3). However, a noise model assuming NASA’s planned future 6 m aperture space telescope (previously considered as LUVOIR, now called the Habitable Worlds Observatory) around solar-type stars, we also found that it takes a very long observation time to identify the fluorescence. Even so, ultra-cool stars such as TRAPPIST-1 have strong absorption of vanadium oxide (VO), iron hydride (FeH), and potassium in the stellar atmosphere, and interestingly these lead to significantly larger apparent reflectance at wavelengths where the flux from the star is small due to this stellar absorption, and fluorescence emission from the planet. This may be a good feature for observing fluorescence at high dispersion by future large ground-based telescopes such as TMT and needs to be verified in the future. Furthermore, it is important to consider the conditions for large fluorescence emission from the physiological perspective of photosynthesis and to capture the nonlinear response of biological fluorescence relative to the incident light since fluorescence is also generated nonbiologically.
At ABC, young researchers actively collaborate across the boundaries of research fields between astronomy and biology, and observation, experiment, and theory. This study results from such activities and has been compiled as an academic paper. This is truly an achievement that links biology and astronomy, and theory and observation.

Footnotes :
(Note 1) Spectral features of atmospheric molecules such as oxygen, ozone, and methane, and the surface feature, e. g., due to vegetation.

(Note 2) A feature in which the reflectance spectrum of leaves increases sharply around 700 nm.

(Note 3) The light emitted when electronically excited states by light quenched to a low-energy state.

(Note 4) A calculation method that deals with light propagation.

Publication Information :
Journal: The Astrophysical Journal
Title: Photosynthetic Fluorescence from Earth-like Planets around Sun-like and Cool Stars

Authors: Yu Komatsu 1,2, Yasunori Hori 1,2, Masayuki Kuzuhara 1,2, Makiko Kosugi 1,2,3, Kenji Takizawa 1,3, Norio Narita 4,1, Masashi Omiya 1,2, Eunchul Kim 3, Nobuhiko Kusakabe 1,2, Victoria Meadows 5, Motohide Tamura 1,2,4
1) Astrobiology Center, 2) National Astronomical Observatory of Japan, 3) National Institute for Basic Biology, 4) University of Tokyo, 5) University of Washington

DOI: 10.3847/1538-4357/aca3a5

arXiv: https://arxiv.org/abs/2301.03824

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