人類が新型コロナウイルス感染症（COVID-19）のパンデミックを抑えようと奮闘し、記録的な猛暑に見舞われ、水不足に陥らないための方策を模索している間、火星の宇宙船は比較的穏やかな生活を送っている（呼吸する必要がないのも助けになる）。火星の表面に駐機しているインサイト着陸機は火星地震の音を聞き分け、パーサヴィアランス探査車は生命を探して周回している。
今週、科学者たちは2台の勇敢なロボット探査機から得られた成果を、オリンポス山ほども発表しました。本日サイエンス誌に掲載された3本の論文（それぞれ世界中から集まった数十人の科学者が執筆）では、インサイトの地震計を用いて火星の深部を探査した巧妙な手法が詳細に述べられており、地殻、マントル、そして核について前例のない理解が得られました。地球以外の惑星の内部を科学者が地図化したのもこれが初めてです。そして昨日、別の科学者グループが記者会見を開き、パーセベランスの初期研究結果と、かつて湖だったジェゼロ・クレーターの表面探査に向けた今後の取り組みを発表しました。ジェゼロ・クレーターは古代の微生物が生息していた可能性がある場所です。
科学者たちは、赤い惑星についてまだ多くのことを学ばなければなりません。「火星は地球と似たような構成要素でできていますが、その姿は地球とは全く異なっています」と、ケンブリッジ大学の地球地震学者サンネ・コッター氏は言います。彼女は、3つの新たな研究に関する展望論文をScience誌に執筆しました。「火星の進化が地球とは全く異なっていたことを示す証拠は数多くあります。そして今、この惑星の層構造の画像を作成することで、火星がどのように形成され、どのようにして誕生したのかを解明するためのツールが得られるでしょう。」
両者を比較すると、興味深い点が山ほどある。例えば、なぜ地球には磁場があるのに、火星には磁場が消えてしまったように見えるのだろうか？なぜ地球にはこれほど多くの火山が点在しているのに、火星の火山はより局所的で、しかも規模が大きいのだろうか？（直径600キロメートル、高さ26キロメートルのオリンポス山は、太陽系で知られている最大の火山である。）火星の形成は壊滅的な出来事だったに違いないが、火星の表面は現在静かである。地球とは異なり、火山活動は活発ではないようだ。（しかし、5月に科学者たちは、最近の活動とされる証拠を提示した。）地表下を覗き込むことでのみ、科学者たちはこれらの惑星の奇妙な現象をより深く理解することができ、そしてそうすることで、同じ岩石惑星である地球自身の奇妙な性質をより深く理解することができるのだ。
しかし、今日の膨大な科学文献に飛び込む前に、火星とインサイトの仕組みについて簡単に説明しておく必要がある。地球と比べると、赤い惑星は地質学的に非常に穏やかだ。地球はプレートテクトニクス（マントルの上で移動する巨大な陸地の塊）を持っているため、地表は火山活動や壊滅的な地震などの活動で常に活発に動いている。一方、火星にはプレートテクトニクスが存在しない。つまり、核は初期に形成され、急速に冷えたため、地表はプレート状ではないのだ。現在、火星ははるかに小さな地震で揺れているが、これは火星が冷え続けるにつれて収縮していることが原因と考えられる。
インサイト着陸機の任務は、2019年2月から搭載されている地震計でこれらの地震を検知することです。この計測器は、火星の地震が生み出すP波とS波という2つの現象に関する非常に豊富な地震データを科学者に提供します。「P波は空気中の音波のような圧縮波で、惑星を伝わる波の中で最も速いものです」と、火星の地殻をモデル化した論文の筆頭著者であるケルン大学の地震学者ブリジット・ナップマイヤー＝エンドラン氏は述べています。「そして、二次波であるS波、つまり剪断波があります。その動きは、ギターの弦を弾くと弦が揺れるような感じに似ています。」
重要なのは、これらのS波はP波よりも遅いため、地震が発生すると、インサイトの地震計に到達するのが少し遅れることです。「P波とS波の到達時間の違いから、地震の発生場所、つまり観測所からどれくらい離れていたかが分かります」とナップマイヤー＝エンドラン氏は言います。また、これらの波は、伝わる媒体と反射する媒体が異なります。P波は固体、液体、気体を透過しますが、S波は固体のみを透過します。
インサイトの地震計に到達する波を分析することで、科学者たちは火星内部の構成を推測することができます。S波は液体の核を通過できないため、そのエネルギーはすべて核とマントルの境界で反射します。コンピューターのバイナリコードのようなものだと考えてみてください。1と0という2つの要素が組み合わさって非常に複雑なプログラミングを生み出すように、2種類の波が組み合わさって赤い惑星の内部の精巧な画像を作り出すことができるのです。「到達時間の違いも調べることで、『これは層の厚さについて何かを教えてくれる』と判断できます」とナップマイヤー＝エンドラン氏は言います。
この技術を用いることで、彼女と同僚たちは地殻の厚さを推定することができた。これまで、科学者たちは地球上空を飛ぶ衛星を用いて、地球全体の重力と地形の違いを測定し、地殻の厚さを概算していた。その結果、地球全体の平均は110キロメートルと推定されていた。「今回、内部からの測定結果から、その厚さは明らかに大きすぎると言えるでしょう」とナップマイヤー＝エンドラン氏は述べている。彼らは現在、平均厚さの最大値は72キロメートルだと考えている。
研究者たちは、地殻は2層または3層で構成されていると推定しています。最上層は厚さ10キロメートルですが、インサイトの測定によると、この層は予想外に軽いことが明らかになりました。これは、隕石の衝突によって砕け散った岩石でできているためと考えられます。その下の層は約20キロメートルです。「残念ながら、その先に何があるのか、すでにマントルなのか、それとも地殻に3層目があるのか、はっきりとは分かりません。まだ解明できていない曖昧な点がいくつかあります」とナップマイヤー＝エンドラン氏は言います。「地殻はこれまで予測されていたほど厚くなく、密度も低いことは確かです。」
チューリッヒ工科大学の惑星地震学者シモン・シュテーラー氏は、火星内部で最も高温で最も深い部分である核の特性を明らかにする研究を主導した。惑星中心部を実際に見ることはできないが、シュテーラー氏のチームは核とマントルの境界で跳ね返るS波を分析するだけで、ある程度の情報を抽出することができた。これらの地響きは液体の核を貫通できず、火星の地表まで戻り、インサイトの受信機で受信される。「地震の発生から核で反射された信号が検出されるまで、10分ほどかかります」とシュテーラー氏は言う。この間隔を測定することで、チームは波が火星のどのくらい深くまで伝わっているかを推定し、核自体の深さを測定できた。その深さは地表から約1,550キロメートルである。
火星表面で発生した火星地震 (右の円) により S 波が発生し、それが核で反射してインサイト着陸機 (上の円) に到達します。
イラスト：クリス・ビッケル/サイエンス研究者たちは、コアの密度が驚くほど低く、1立方センチメートルあたり約6グラムしかないことを発見しました。これは、鉄分が豊富な中心部から予想される値よりもはるかに低いものです。「コアがなぜこんなに軽いのか、まだ謎です」とシュテーラー氏は言います。より軽い元素が存在するはずですが、それが何なのかは正確には分かっていません。彼とチームは、インサイトが停泊している場所から惑星の真向かいで発生する火星地震によって発生するP波を最終的に検出したいと考えています。P波はコアとマントルの境界を貫通できるため、コアの組成に関する情報を着陸機の受信機に伝えます。しかし、そのためには「火星が私たちの言うことを聞いて、惑星の反対側で一度だけ地震を起こさなければなりません」とシュテーラー氏は言います。
シュテーラー氏のチームは論文の中で、コアの半径が1,830キロメートルであると報告している。チューリッヒ工科大学の地球物理学者アミール・カーン氏が率いる別のチームは、この大きさは地球のような下部マントル（コアの周囲に熱を閉じ込める毛布のような層）が存在する余地がほとんどないことを発見した。地球のマントルは2つの部分に分かれており、その間にいわゆる遷移層がある。上部と下部は異なる鉱物で構成されている。「火星のマントルは、鉱物学的に言えば、地球のマントルを少し単純化したバージョンです」と、マントルに関する論文の筆頭著者であるカーン氏は述べている。
地球化学および地球物理学的データを用いたこれまでのコア半径の推定では、下部マントルが存在しないことが示唆されていましたが、科学者たちはそれを裏付けるためにインサイトの地震学的データを必要としていました。この層がなければ、火星のコアは地球よりもはるかに急速に冷却されたと考えられます。これは、赤い惑星の進化、特に、大気、そして潜在的な生命を厳しい太陽風から守る障壁であった磁場がなぜ失われたのかを理解する鍵となります。磁場を生成するには、外核と内核の間に、コア内の液体を攪拌して磁場を生み出す循環流を生み出すのに十分な温度勾配が必要です。しかし、コアは急速に冷却されたため、これらの対流は消滅しました。
カーンの分析によると、火星にはマントルの硬くて冷たい部分である厚いリソスフェアが存在することも示されています。これは、地球で火山活動を活発化させるプレートテクトニクスが赤い惑星に存在しない理由の手がかりとなるかもしれません。「もし非常に厚いリソスフェアが存在するなら、それを分解して地球のプレートテクトニクスと全く同じものを作り出すのは非常に困難でしょう」とカーンは言います。「おそらく火星にもごく初期にはリソスフェアが存在していたのでしょうが、今では間違いなく停止しています。」
インサイトが火星内部の振動を盗聴している間、パーセベランスは埃っぽい表面を周回し、岩石に古代生命の痕跡を探し、レゴリスサンプルを採取する場所を探し、ジェゼロの地質学的歴史を学んできました。「探査は短距離走ではなく、マラソンです」と、NASAの科学担当副長官トーマス・ザーブッヘン氏は水曜日の記者会見で述べました。ザーブッヘン氏は、探査車が新たな拠点に到着してから数ヶ月経った今、初期の進展が明らかになったことを紹介しました。「パーセベランスは、今後、ロボットと有人探査を結びつける、綿密に計画された火星探査の長い歴史における一歩です。」
記者会見で科学者たちは、パーセベランスがこれまでの探査で何をしてきたかを説明した。「課題は、どこへ行きたいのか、そしてどのようにすべてをスケジュールに組み込むのかを正確に把握することです」と、NASAジェット推進研究所のシステムエンジニア、ビビアン・サン氏は述べた。サン氏によると、パーセベランスは着陸地点の南約900メートルに迂回し、最初の岩石サンプルを採取することを決定した。採取されたサンプルは探査機の胴体内に保管され、その後、地球に帰還する将来のミッションに備えて地表に保管される。
パーセベランスは、火星酸素原位置資源利用実験装置（MOXIE）を含む一連の新型機器を搭載した7フィート（約2メートル）のアームを搭載しています。MOXIEは、大気中の微量二酸化炭素を酸素に変換することを既に実証しています。このアームには、現在の気候を評価するセンサーと、探査機の周囲の画像を撮影する高解像度カメラも搭載されています。「砂塵旋風に写真に写り込んでいます」と、カリフォルニア工科大学の地球化学者ケン・ファーリー氏は述べ、彼にとって地球に非常に似た強風も感じさせます。
画像に映る岩石の中には、固まった湖泥に似たものがあり、化石化した生命の痕跡、つまり過去の生命の痕跡を探すのに適した場所である可能性を示唆しています。研究チームはまた、クレーター内の岩石が堆積岩起源か火山起源かの解明にも関心を寄せています。後者の場合、放射年代測定によってパーセベランスが収集している物質の地質学的タイムラインをより深く理解できる可能性があります。ファーリー氏によると、これまでの観測で最も驚くべきことは、突発的な洪水と水位の変動の証拠であり、これは過去にクレーターが乾燥と液体の水で満たされるという複数の段階を経てきたことを示唆しています。
新たに設計されたAI搭載ソフトウェアにより、パーセベランスは火星探査機の単独走行2日目にして、これまでの自動走行記録を塗り替えました。「自動運転は、人間による運転とほぼ同等の速度になりました」と、JPLのロボット工学者オリヴィエ・トゥーペ氏は述べています。人間はパーセベランスを遠隔操作で1日あたり約30メートル（100フィート）移動させ、障害物を慎重に回避することができますが、AIソフトウェアによって機敏性が向上します。探査機の走行中に地表の3次元マッピングを作成し、リアルタイムでルートを更新・最適化します。トゥーペ氏によると、これまでの火星での自動走行距離は約100フィート（350フィート）で、今後数週間以内にパーセベランスはその4倍の距離を走行すると予想されています。
南への迂回後、パーセベランスは北西方向に進み、かつてジェゼロ・クレーターに水を供給していた古代の河川デルタ地帯の跡地を目指します。その後、ロボットアームに搭載された機器をフル稼働させ、近くの火星の岩石の元素組成、鉱物組成、形状、組織を調査します。これらの情報は、科学者が盆地の過去の水の流れを解明する上で役立つでしょう。
数千マイル離れた場所で、インサイトは地震を記録し続け、科学者たちが地震学によって特徴づけることに成功した、地球以外で最初の岩石惑星の内部構造を明らかにし続けるだろう。「人類にとって、これは非常に新しい分野です」とコター氏は言う。「私たちは足元を見てきたよりもずっと長い間、星空を見上げてきました。」
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