惑星の居住可能性（わくせいのきょじゅうかのうせい、 ）は、ある天体で生命が発生しうる、また発生した生命を維持しうる可能性についての指標である。
概要 生命にとっての唯一の絶対条件はエネルギー源であるが、惑星の居住可能性の概念では、その他の地球物理学、地球化学、それに天体物理学上の基準を満たさなければならない。地球以外の生命の存在は現在判っていないため、惑星の居住可能性は主に生命にとって適するように見える地球の状態や、太陽や太陽系の特徴から外挿される。特別興味を引くのは、この惑星が単なる単細胞の微生物ではなく複雑な多細胞の動物を保持してきた要因である。この点の研究と理論は惑星科学と、新たに現れた宇宙生物学の分野である。融解した金属や星間ガス、銀河系外空間に広がる磁場のような細胞とは無関係の物質、場を基盤とした生命なども想像できるが、それらはいまだSFの領域を出ていないため、ここでは扱わない。また、将来建造されるであろう人類の前哨基地のように人工的な環境を前提とした議論も含まない。
地球以外の惑星に生命が存在するかもしれないという考えは古くからあるものの、歴史上のそれは物理科学と同じぐらい哲学の範囲であったこの項目は現代の自然科学の考え方から惑星の居住可能性を推理・分析したものである。居住可能な惑星に関する歴史的な観点については、地球外生命を参照。異星人の可能性についての議論は、ドレイクの方程式やフェルミのパラドックスを参照。。20世紀後半、この分野で二つのブレークスルーが見られた。最初の一つは、太陽系の他の惑星や衛星の天体観測や無人探査機による探査で、地球と他の天体との間で相当な地球物理学上の比較が可能となり、居住可能性の基準を定めるのに重要な情報が与えられたことである。次に、1992年に始まりその後加速した太陽系外惑星の発見が、二つ目のマイルストーンである。それにより、太陽は惑星を有する特別な星ではなくなり、居住可能性の研究は太陽系から広がることとなった。2000年代後半には、実際にいくつかの惑星がハビタブルゾーン内を公転していることが示唆され研究が続けられている。
2016年5月10日のNASAの発表によると、この日までに発見された4302個の太陽系外惑星のうち、居住可能な条件を満たす惑星は21個あるというBriefing materials: 1,284 Newly Validated Kepler Planets NASA。
適切な恒星系 惑星の居住可能性は恒星の理解から始まる。地球のような天体は多数存在するかもしれないが、より大きな系自体が生命に適しているのかも重要である。SETIのの科学者とは2002年、""（または"Catalogue of Habitable Stellar Systems"、居住可能な恒星系のカタログ）を作成した。このカタログは、12万個に及ぶ膨大な数のヒッパルコス星表の恒星から、1万7千個をコアグループ"HabStars"として抜き出したものである。そこで使われた選択基準は居住可能な惑星に必要な天体物理学的な要因を理解するための第一歩として丁度よいものになったTurnbull, Margaret C., and Jill C. Tarter. "Target selection for SETI: A catalog of nearby habitable stellar systems," The Astrophysical Journal Supplement Series, 145: 181-198, March 2003. (Link (PDF) ). Habitability criteria defined—the foundational source for this article.。
スペクトル型 恒星のスペクトル型は光球の温度を示し、それは（主系列星では）星の質量と関係している。"HabStars"として適切なスペクトルの範囲は、今のところ"F"か"G"から"K"の中間辺りまでだと考えられている。これは、7,000K～4,000Kの温度に相当する。太陽はこの範囲のちょうど中間に位置するG2の恒星である。この種類の"中間の星"は惑星の居住可能性にとって重要と考えられる特性を多く持っている（ただしこの基準は太陽を中心として考えられたという節があり、太陽はあまり生命の居住に適さない恒星であるという可能性も皆無ではない）。
少なくとも10億年以上は存在し、生命が発展するのに十分な時間がある。より光度の高い"O"型、"B"型、それに"A"型の主系列星は、通常10億年未満、場合によっては100万年程度しか存在しない生命は、地球では惑星が形成されてからおおよそ5億年後に出現したように見える。スペクトル型が"A"型の恒星（寿命6億年～12億年）とごく一部の"B"型の恒星（寿命1000万年～6億年）は、実際はこの条件を満たしている。少なくとも理論的には生命はこういった恒星系で発生することができる。だがこの限られた時間と、急速な恒星の光度の増加のため、生命が高度な水準に達することはほぼ有り得ないとみて良いだろう。"O"の恒星は、1000万年未満しか存在しないため、生命が発生し進化する可能性は全くありそうもない。Star Tables , California State University, Los Angeles.。 重要な大気中のオゾン等を生み出す要因となる、短波長の紫外線を放射する。なおかつ、その紫外線は初期の生命をイオン化により破壊するほどではない, D.C.B. Whittet, and W.R. Sheldon. "Ultraviolet radiation from F and K stars and implications for planetary habitability," Origins of Life, 27, 413-420, August 1997. (Link abstract on-line). Radiation by spectral type considered.。 液体の水が、その軌道の自転と公転の同期を起こさない程度の距離を回る惑星の表面に存在するかもしれない（次の「安定したハビタブルゾーン」を参照）。
これらの恒星は、"熱すぎ"も"寒すぎ"もせず、生命が誕生する機会を持つほど十分長く存在する。このスペクトルの範囲は銀河系の恒星のうち5～10%だと思われる。また、もっと暗い"K"や"M"（"赤色矮星"）の恒星が居住可能な惑星を有するのに適しているかは、これらが多数存在していることもあり、おそらく惑星の居住可能性を考える中で最も重要な問題である。これについては、以下の「代わりとなる恒星系」で広く議論する。
安定したハビタブルゾーン
ハビタブルゾーン (HZ) とは、惑星がその表面に液体の水を持つ、恒星の周囲の理論上の空間である。液体の水は地球の全ての生態系にとり不可欠だとみなされており、エネルギー源の次に、生命の最も重要な要素だと考えられている。ただ、これは水に依存する種にたいする偏見であるかもしれず、もし水を必要としない生命が存在し得る（例えば、代わりに液体のアンモニアを利用できる）ことが発見されれば、HZの考えは大幅に拡張されるか、制限したり全て捨てさらなければならなくなるかもしれないエウロパと、意見は小さくなるもののタイタン（それぞれ太陽から3.5AUと8AUの外側であり、ハビタブルゾーンからは出ている）がもっとも地球外生命の可能性があると考えられていることが、HZ基準の問題の本質を強調する。居住可能性の記述では、しばしば居住可能な惑星はHZの中にあるに"違いない"と述べられる。これは証明されないため残っている。。
"安定した"HZとは2つの条件を意味する。
一つ目に、HZの範囲が長期にわたって変わらないこと。全ての恒星は年をとるごとに光度を増し、HZも自然に外側に移動していくが、これがもし急激に起こる（例えば、大質量の恒星）場合、惑星はHZの中に短い間だけしか居られないかもしれず、生命の誕生する機会もそれ相応に少なくなるかもしれない。HZの範囲と長期間の移動を計算するのは、炭素循環のような負のフィードバックループが光度の増加を打ち消す傾向もあることから、簡単なことではない。大気の状態と地質学により作られた仮説は、恒星の進化によるHZの範囲の推定に大きな影響を持っている。例えば、これまで提案されてきた太陽のHZの値は、説によりそれぞれ大きく異なっているKasting, J.F., D.P. Whitmore, R.T. Reynolds. "Habitable Zones Around Main Sequence Stars," Icarus 101, 108-128, 1993. (Link (PDF) ). Detailed overview of habitable zone estimates.。
二つ目に、地球型惑星の形成を妨げる木星のような巨大惑星が、HZに近い領域に存在しないこと。例えば小惑星帯の物質は、木星の軌道との共鳴により、惑星を形成することができなかったためのように見える。もし巨大惑星が今の金星と火星の間の軌道に存在していたら、地球は当然今のような形に育たなかっただろう。ただしこの条件は、HZの巨大ガス惑星は適切な条件にあれば居住可能な衛星を持つかもしれない、という提案によりいくらか改善されるWilliams, Darren M., James F. Kasting, and Richard A. Wade. "Habitable moons around extrasolar giant planets," Nature, 385, 234-236, January 1997. (Link abstract on-line). Habitability of moons within the HZ considered.。
かつては太陽系の構造から、内側は地球型の岩石惑星、外側は木星型や天王星型の巨大惑星というパターンが他の恒星でも標準だろうと考えられていたが、ケプラー宇宙望遠鏡以前（2009年以前）の太陽系外惑星の研究によりこの考えは不適切であることがわかった。すなわち、太陽系型の惑星系は宇宙の標準ではなくその一形態であり、他に多くのパターンが存在する。多数の巨大惑星が、主にHZの可能性を妨げる中心の恒星に近い軌道で発見された。ただ、現在提示されている太陽系外惑星の情報は、識別がはるかに容易な、恒星に近い、あるいは離心率の高い（楕円の）軌道を持つ巨大惑星に偏っているとみられ、どの種類の恒星系が標準であるのかはまだ判っていない。太陽系型の惑星系は検出が技術的に困難であるため、存在しても発見されにくい。しかし、ケプラー宇宙望遠鏡による研究では、少数見つかっている。今後の技術革新により、発見数の増大が期待される。これまで発見された系外惑星の中には、非常に恒星に近い軌道を回っているため、HZに大きな影響を与えないと考えられているものもある。このようなケースでは巨大惑星の外側を居住可能な地球型惑星が周回するという、太陽系とは全く逆の形態の惑星系が存在するかもしれない。
恒星の光度変化が小さいこと
光度の変化は全ての恒星に共通してみられるものであるが、その変動の激しさには広い範囲がある。ほとんどの恒星は比較的安定しているが、問題となる少数の変光星は、しばしば突然で猛烈な光度の増加を起こし、その結果その軌道の天体に向け膨大なエネルギーを放出する。これらが予測できないことと、エネルギー出力の変化が生命に悪い影響を与えるだろうことから、生命を宿す惑星を持つ候補として、この種の恒星は難しいと考えられる。もっと単純な話として、特定の範囲の温度にしか適合できない生物は、大きな温度変化を生き残れないだろう。さらに、光度の急上昇には一般的に、大量のガンマ線やX線といった放射線が付随し、これは致死レベルであるかもしれない。大気はその影響を軽減する（太陽の絶対光度が100%増加したとしても、地球の絶対温度も100%増加することにはならないだろう）が、変動により短波長の輻射エネルギーが惑星を打ち付け、絶え間なくその大気を引き剥がすであろうため、そもそも惑星が大気を保有すること自体が不可能かもしれない。
太陽は、この条件においては他の星と比べてはるかに穏やかである。太陽の明るさの最大と最小の間の変化幅は、11年の太陽周期でだいたい0.1%である。だが、太陽の光度の小さな変化でさえ地球の気候に重大な影響を与えるということが、過去の歴史からほぼ判明している（だがこの意見はまだ確定しているわけではない）。例えば中世の小氷期は、比較的長期間の太陽の光度の低下により引き起こされたという可能性が指摘されているThe Little Ice Age, University of Washington.。したがって、光度の違いが居住可能性に影響を及ぼすため、恒星の光度は変化しにくいことが望ましい。知られている"太陽の双子"のうち、最も太陽に似ている星は、さそり座外縁に位置するさそり座18番星だと考えられている。興味深いことに、太陽との唯一重要な違いは、さそり座18番星の太陽周期の幅は非常に大きいようだということである18 Scorpii, www.solstation.com.ただし、さそり座18番星については、太陽周期による光度変化幅を0.09%とし太陽とほぼ等しいとする研究もある。G. W. Lockwood, et al. (May 2002). "Gauging the Sun: Comparative photometric and magnetic activity measurements of sunlike stars, 1984-2001" (PDF). Bulletin of the American Astronomical Society 34: 651.。
高い金属含有率
どんな恒星もその大部分は水素とヘリウムから成っているが、恒星が含む重い元素の量には大きな違いがある。恒星の金属の割合が高いことは、原始惑星系円盤で初めに利用できる重い物質の量に関係がある。原始太陽系星雲の理論による惑星系が形成される際、金属の量が少ない場合、その恒星の周りに惑星が形成される可能性はかなり減少すると考えられていた。太陽系外惑星の分光法による研究では、高い金属含有量と惑星の形成との関係を裏付けるデータが得られていた。初期に発見された惑星を有する恒星は、惑星を持たない恒星よりも明らかに金属に富んでいたSantos, Nuno C., Garik Israelian and Michel Mayor. "Confirming the Metal-Rich Nature of Stars with Giant Planets," Proceedings of 12th Cambridge Workshop on Cool Stars, Stellar Systems, and The Sun, University of Colorado, 2003. (Link (PDF) ). Metallicity and the occurrence of extra-solar planets.。また、高い金属率は"HabStars"に若い星という条件を与える。宇宙の歴史の中で初期に形成された恒星は金属含有量が低く、惑星を持っている見込みもそれ相応に低くなると考えられていたためである。
しかし、系外惑星の観測対象が巨大ガス惑星からより小さい惑星へ広がるにつれ、金属量と惑星の存在頻度の関係は部分的なものに過ぎないことが明らかになった。ケプラー宇宙望遠鏡の観測記録によると、巨大ガス惑星の場合は恒星の金属量と惑星の存在頻度の間に正の相関関係が存在するものの、半径の小さい惑星の場合は幅広い金属量の恒星の周囲に普遍的に存在している。
惑星の特性
居住可能な惑星についての主な仮説は、それは地球型惑星（一部のスーパーアース）だということである。これらの惑星は、だいたい地球と同じほどの大きさで、主に珪酸岩石で構成されていて、外層は巨大ガス惑星に見られるような気体の水素やヘリウムで覆われてはいない。生命が巨大惑星上層の雲の中で発達できるかについては、はっきりとは否定できないEvolving the Alienの中で、とイアン・スチュアートは、生命が木星型惑星の雲の上で形成されるかもしれない、もっともらしいシナリオを評価した。同様に、カール・セーガンは金星の雲が生命を宿すかもしれないことを示唆した。。けれども、それらには地表がなく、その重力は膨大であり、生命が誕生する可能性はあまりありそうに無いとも考えられる。その一方、巨大惑星の衛星は、生命を宿す有力な候補となっている。
生命を支えられそうな環境を分析する場合、普通は簡単なもの、真正細菌のような単細胞生物と古細菌、それに複雑な後生動物（動物）との間に区別を付ける。どんな生命の系統樹を仮定しても、当然ながら単細胞生物は多細胞生物に先立って現れることになるが、単細胞生物が誕生すれば必ずより複雑な多細胞生物にまで進化すると言う保証は無い近年では、特に、地球上のかつて生命に適さないと考えられていた環境で極限環境微生物が栄えているのが知られるようになってからは、単細胞生物は宇宙の中でありふれた存在であるかもしれない、という認識が少しずつ広まりつつある。複雑な多細胞の生命が発生する可能性については、まだ非常に多くの議論が残っている。ピーター・ウォードとのRare Earth: Why Complex Life Is Uncommon in the Universeでは、微生物は広範囲に存在するが複雑な生命はとても稀で、おそらく地球特有のものだろうと主張している。地球の歴史に関する現在の知識は、この理論を部分的に支持する。多細胞生物は、生命誕生後30億年以上たった先カンブリア時代の終り頃に現れたと信じられている。地球生命が長い間単細胞のままだったことは、複雑な生物への決定的な一歩は必然的に起こるものではない、ということを強調するものである。近年では、全地球規模の寒冷化が多細胞生物への進化のきっかけになったという説も有力視されつつある。。以下の惑星の特性は、生命全般にとって重要なことだと考えられているが、いずれも、より大きく複雑な植物や動物のような多細胞生物ほど条件が厳しくなると考えるべきものである。
質量
低質量の惑星は、以下の2つの理由から生命を宿す候補としては適さない。
一つ目に、その低い重力では大気の保持が難しいことである。大気を構成する分子は、脱出速度に達しやすくなり、吹き付ける太陽風や衝突などで容易く宇宙空間に失われる。厚い大気を持たない惑星は、原始の生化学に必要な物質を欠き、その地表には少ない断熱効果と乏しい熱移動しかもたらさず（例えば、薄い大気しか持たない火星は、同じような距離にあったとしても地球より寒い）、短波長の放射線や隕石に対する保護効果も少ない。さらに、大気が地球大気の0.6%より少なく、大気圧が4.56mmHg (608Pa) に届かない場合、水は液体の状態で存在できない。水が液体である温度の範囲は、一般的に圧力が低くなるほど低下する（気圧が下がると水の沸点も下がるため）。
二つ目に、小さい質量の惑星ほどその直径も小さくなり、その結果より大きなものと比べて体積（ほぼ質量に比例）と比較した表面積の割合が高くなる（たとえば地球の半分の直径の惑星では、体積は地球の1/8だが表面積は1/4である）。このような天体は、形成時に残ったエネルギーを早く失う傾向があり、その結果地質学的な死を迎え、火山、地震、それに地殻変動による、生命を維持するための資源であり大気の温度も保持する物質（二酸化炭素のような）の供給が失われることになる。プレートテクトニクスについては、少なくとも地球では特に重要なことであるように見える。それは物質を循環させ重要な化学物質や鉱物を再生するだけではなく、大陸を作り出し環境の複雑さを増して生物多様性を育むとともに、地球の磁場を生成するのに必要な対流を生み出す助けにもなるWard, Peter and Donald Brownlee. Rare Earth: Why Complex Life is Uncommon in the Universe, pp. 191-220, Springer, 2000.。なお、地球以外で活発なプレートテクトニクスもしくは類似現象が起こっている可能性が高いとされる天体は、現状沈み込み帯と思われる地形が観測されたエウロパのみである（岩石地殻ではなく、氷地殻が変動する形）。
"低質量"というのは一部相対的な呼び名である。地球は太陽系の巨大ガス惑星と比較すると低質量であると考えられる。だが、その直径と質量は太陽系の地球型惑星の中で最大であり、密度も最も高い興味深いことに、太陽系には地球と二つの巨大氷惑星（ともに地球の約14倍以上の質量を持つ天王星と海王星）の間に"質量のギャップ"がある。中間の天体の構成に地球物理学上の障害は無い（OGLE-2005-BLG-390Lbの例を参照）ため、これは偶然の一致であり、銀河のいたるところで地球の2倍から12倍のほどの惑星が見つかると予想される。もし恒星系にとってそうでないのなら、ガスの外殻は融合して生命を形成する可能性の限界よりも大きくなったりせず、10億年以上に渡り内部に活力を残し、大気を保つのに十分な大きさとなるだろうから、そのような惑星は生命の良い候補であるだろう。。その重力だけで大気を保つのに十分なほど大きく、また溶融したコアが熱機関として残るのに十分なほどにも大きくあり、その表面には様々な地質学的な動きがある（惑星のコアでの元素の放射性崩壊は、惑星の加熱にとって重要な要素である）。対照的に火星は地質学的な死に近く（あるいは既に死んでいるとも考えられている）、その大気のほとんども失われているThe Heat History of the Earth, James Madison University, Geology.。したがって、居住可能性の下限となる質量が、火星と地球や金星の間のどこかに位置していると推論して問題ないだろう。ただ、特殊な条件下では例外もある。木星の衛星イオ（地球型惑星よりも小さい）は、その軌道から引き起こされる木星の潮汐力によって、活発な火山活動を見せている。隣接するエウロパもまた、巨大ガス惑星に近い軌道から生まれるエネルギーにより、氷の外殻の下に液体の海を持っているかもしれない。一方、土星のタイタンは厚い大気を保っており、その表面の液体メタンの中での生化学的反応により、表面に生命を宿す可能性を持っている。これらの衛星は例外であるが、質量が居住可能性の基準として絶対だと考えることはできないということも証明している。
最後に、大きな惑星はおそらく大きな鉄のコア（核）を持っている。これにより、惑星を太陽風から守るための磁場を作ることができるようになる。磁気圏がなければ、惑星の大気は剥がれて取り去られ、そこに住む生物はイオン化した粒子を浴びせられることになるだろう。質量だけが磁場を生成する唯一の基準となるわけではなく、コアにダイナモ効果が生まれるには、惑星は十分な速さで回転もしなければならないMagnetic Field of the Earth, Georgia State University.。だが、質量はその過程の重要な要素ではある。
軌道と自転 その他の基準として、軌道と自転という特性の影響を確定することは重要な点である。離心率の高い軌道は、惑星が主星に最接近した時と最も遠い時の違いを生むことになる。離心率が高ければ高いほど、その惑星表面の温度変化も大きくなる。しかし、生物はそれらの悪条件に適応することができる。とはいえ、この変化に耐えられるのは生物だけであり、もしその変化が惑星の生物のための液体（例えば、地球の水）の融点と沸点両方の範囲内であればの話である。例えば、地球の海洋が沸騰と凝固を交互に繰り返しているとしたら、そこに既知の発展した生命を想像することは難しい。より複雑な生物ほど、大きな温度差には敏感であるRare Earth, pp. 122-123.。地球の軌道はほとんど完全に円形であり、離心率は0.02以下である。水星を除く太陽系の他の惑星も、同じような良好な軌道を持っている。
集められた太陽系外惑星の軌道のデータは、多くの研究者を驚かせた。その90%は太陽系で見つかっている惑星よりも大きな軌道離心率を持っており、その平均は実に0.25であったBortman, Henry. Elusive Earths, Astrobiology Magazine, June 22, 2005.。ただしこれはサンプルの偏りによる結果だということが十分考えられる。
惑星の自転は惑星に季節が存在するかどうかに影響する。もし小さな、あるいは全く赤道傾斜角が無く、黄道に垂直な状態であれば、四季は起こらない。逆に、もし惑星が大きく傾くと、季節の変化は極端なものとなるだろう。ただし第四紀に赤道傾斜角の傾きが増大したのと同時に、極の氷の減少（つまり温度の上昇と季節的変動の「減少」）が起きていたことが分かっている。とはいえ、このときよりもさらに赤道傾斜角の傾きが増加した場合にも、季節による変動が穏やかになるというこの傾向が続くのかどうかは科学者にもわかっていない（スノーボールアース参照）。
現時点では、こうした変化がもたらす影響はコンピュータモデルによって推測することしかできないが、研究では、85°というかなりの角度まで傾けても、「これによって大陸が季節ごとにひどい高温に曝されさえしなければ」生命の可能性が完全には排除されないことが示されている"Planetary Tilt Not A Spoiler For Habitation", Penn State release, August 25 2003.。また、平均の赤道傾斜角だけでなく、時の経過による変化も考えなければならない。地球の傾斜は4万1千年かけて21.5°から24.5°の間で変化している。より極端な変化や、ごく短周期の変化は、気候に影響を引き起こすだろう。
その他に、軌道に関して考慮すべき点は、
惑星は昼夜のサイクルが長くなると昼側の面と夜側の面との温度差は顕著なものとなる。 回転軸の方向の変化（歳差）は、傾斜の（角度でなく）方向が変わるものであり、単独では必ずしも居住可能性に影響はしない。しかし、歳差はその他の軌道の逸脱により引き起こされた変化を強調する傾向がある（ミランコビッチ・サイクル参照）。地球の歳差は2万3千年周期で発生している。
地球の月は、赤道傾斜角を安定させ地球の気候を和らげるのに、重要な役割を演じているように見える。それは、居住可能性の条件にとって無秩序な角度となるのを防いでいるかもしれないLaskar, J., F. Joutel and P. Robutel. "Stabilization of the earth's obliquity by the moon," Nature, 361, 615-617, July 1993. (Link abstract on-line). Necessity of Moon for stable obliquity considered.。だが、この意見についてはまだ議論中である。一般的な理論によれば、月は火星サイズの天体が形成時の地球に衝突し、吹き飛ばされた物質が集合して、その軌道に集まったことにより形成された（ジャイアント・インパクト説）。ウォードとブラウンリーの"レア・アース"では、このような衝突はごく稀であるため、他に地球 - 月型の系の可能性は低く、ゆえに他の居住可能な惑星の可能性も減ると強調している。一方で、一般的な地球型惑星の惑星形成論では、ある程度の大きさをもった地球型惑星は、集積の最終段階でいくつかの原始惑星が巨大衝突により合体して形成されると考えられている。
地球化学