宇宙からの塵が私たち自身について教えてくれること

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毎年、地球の表面1平方メートルあたり約10個の宇宙塵が落下します。「つまり、宇宙塵はどこにでもあるということです。街中にも、家の中にもあります。服に宇宙塵が付着している可能性もあります」と、インペリアル・カレッジ・ロンドンの惑星科学者で、微小隕石と呼ばれるこれらの宇宙塵粒子を専門とするマシュー・ゲンジ氏は述べています。

小さなビー玉のように丸く、色とりどりの微小隕石は、どこにでもあると同時に独特の存在感を放っている。しかし、1870年代にイギリス海軍のチャレンジャー号が太平洋の海底から微小隕石を浚渫するまで、人々の目に留まらなかった。（陸上では、地球上の塵の堆積が宇宙起源の隕石を圧倒し、覆い隠してしまう傾向がある。）

科学者たちは一世紀の間、海底で発見された奇妙な球状物は、大気圏に突入した大型隕石の溶融表面から滴り落ちたものだと考えていました。しかし実際には、数億マイルも離れた宇宙の岩石から宇宙塵が漂い、小さなメッセージを帯びているのです。

ゲンジさんは30年間、一粒ずつそれらのメッセージを解読してきました。

彼がキャリアをスタートさせたのは、ちょうど南極が微小隕石の豊富な新たな供給源として特定された頃だった。強い南風が地球の破片を吹き飛ばすため、氷に閉じ込められた塵の10%は宇宙から来ている。「簡単なこともたくさんやりました」とゲンジ氏は言う。「塵は何でできているのか、どんな見た目をしているのか、どんな種類があるのか」といったことを調べることだ。それ以来、ゲンジ氏をはじめとする微小隕石専門家たち（専門家のコミュニティは小さく、ゲンジ氏は「ほとんどの専門家の子供たちと知り合いです」）は、塵からさらに多くの情報を得てきた。最近、ゲンジ氏は宇宙塵が伝えるメッセージを解釈している。それは塵の起源ではなく、その行き先、つまり地球の歴史における様々な時期における地球についてだ。

細身で禿げ頭のこのイギリス人は、ロンドンの寝室でベッドとワードローブと顕微鏡の間に挟まれながらズーム通話をしている。昨年3月、ロックダウンが始まる直前に、彼は顕微鏡を研究室から持ち帰ったが、大量の埃も一緒に持ち帰った。この冬、私たちがビデオチャットをしたとき、ゲンジはワードローブの上の箱からプラスチックの瓶を取り出し、カメラの前で揺らした。瓶は黄褐色のシルトで半分ほど満たされていた。南極の塵、地球の塵、そして地球外の塵だ。彼が瓶を選別しているうちに、もしかしたらゲンジは火星付近にある直径8キロメートルの小惑星「マットゲンジ」6626番の破片を見つけるかもしれない。この小惑星は、宇宙塵研究への貢献にちなんで名付けられた。

彼の埃まみれの発見についての私たちの会話は、わかりやすくするために要約され、編集されています。

昔から隕石がお好きだったんですか？地質学に興味を持ったきっかけは何ですか？

子供の頃、アーサー・C・クラークのミステリー小説に夢中になりました。それがきっかけで、たくさんの疑問を持つようになりました。でも、地質学に惹かれたのは、美術が好きだったからです。絵をたくさん描く授業が2つありました。1つは地質学、もう1つは美術です。そして、野外に出て岩を描き始めた途端、自分の絵を探偵小説のように使って、その岩の形成過程を解明したり、何百万年も前に起こった出来事を探ったりできることに気づき、すっかり夢中になりました。それからは、ずっと地質学にのめり込んでいきました。[ゲンジは、 2020年に出版された『地質学フィールドスケッチとイラスト：実用ガイド』の著者です。]

特に宇宙塵に興味を持った理由は何ですか?

天文学者は常に星と銀河に注目してきました。それらは文字通り、誰もが惹きつけられる天文学のきらめくかけらです。しかし実際には、塵は天文学において最も重要な要素の一つです。なぜなら、星はそこに存在し、最終的に惑星を作る元素を生み出しますが、その元素を星から惑星へと運ぶのは塵だからです。もし塵がなければ、私たちの宇宙はごくありふれた場所、つまり周囲に何もない、ちらちらと光る星々だけでしょう。塵は星と他のすべてのもの、すべての惑星、そして惑星上のすべての生物を結びつけています。結局のところ、すべてを担っているのは塵なのです。

地球上の宇宙塵がどこから来るのか私たちは何を知っていますか?

1990年代初めには、太陽系のどの天体がこれほど大量の塵を生み出しているのか、ほとんど分かっていませんでした。フランス人は彗星由来の塵に非常に興味を持っていましたが、その理由は分かりません。最終的に、微小隕石の大部分は原始的な小惑星から来ていることが分かりました。これらの隕石は、炭素質コンドライトと呼ばれる隕石に類似しており、炭素質コンドライトは最も一般的なタイプの小惑星、つまり炭素を含む「C型」小惑星から来ています。

マシュー・ゲンジは宇宙塵の言葉で太陽系の歴史を説明します。

両者が主に同じ発生源から来ている場合、隕石からは学べないことを微小隕石から学べることは何でしょうか?

塵が地球に運ばれる仕組みについて、多くのことが学べます。隕石を地球に運ぶには、小惑星から落とさなければなりません。その後、隕石は宇宙空間を漂いながらゆっくりと軌道を変え、最終的には地球の軌道と交差することもあります。これは非常にランダムなプロセスです。

一方、小さな塵粒子は、小惑星の表面から吹き飛ばされたり、表面から流れ出たりして宇宙空間に飛び出し、太陽光がその運動に影響を与えます。これは「ポインティング・ロバートソン光抵抗」と呼ばれるとても興味深い現象です。SFっぽい響きがして、とても気に入っています。

この光抵抗は基本的に塵の粒子を減速させます。軌道上の物体の速度を落とすと、塵は内側へ向かわざるを得なくなり、塵はゆっくりと太陽に向かって螺旋状に落ちていきます。塵は惑星の軌道上を移動し、惑星に巻き込まれる可能性が高くなります。つまり、塵を地球に運ぶメカニズムは、より大きな岩石の塊を運ぶメカニズムよりもはるかに信頼性が高いのです。そのため、微小隕石は隕石よりも太陽系に実際に存在するもののより良いサンプルであり、隕石よりもはるかに多くの小惑星や彗星を研究することができます。

もちろん、微小隕石は非常に小さいです。一つ一つの微小隕石から得られる情報はごくわずかですが、隕石は良いものを見つければ一生忙しくなります。つまり、隕石は少数の天体について多くの情報を提供し、微小隕石は多数の天体についてわずかな情報を提供してくれるのです。この二つは実にうまく連携しているのです。

この絶え間ない塵の流入は地球や他の惑星にどのような影響を与えるのでしょうか?

地球の歴史を通して、ずっと宇宙塵が地球に降り注いできました。火星にも、金星にも降り注いでいます。生命の起源は宇宙塵と関係があるかもしれません。というのも、宇宙塵は地球のアミノ酸や有機分子の大部分を、後期爆撃期（約40億年前）に地球に運んできたからです。火星の土壌に何か生物がいるとすれば、それはおそらく微小隕石を食べているでしょう。なぜなら、微小隕石は火星地表への有機物の主な供給源だからです。火星の土壌に含まれるニッケルの量を測ると数パーセントにもなり、そのニッケルは主に微小隕石に由来しています。私は、それらを火星の表面に漂う微小隕石の食べ物と考えるのが好きです。

地球上でも、微小隕石は栄養塩の供給という点で現在重要な役割を果たしています。海の最も深く、最も辺鄙な場所は陸地から遠く離れているため、地殻からの塵がほとんど届かず、生物は生存のために鉄などの微量元素を必要とします。実際、南大西洋や南極海の一部に運ばれる鉄のほとんどは、微小隕石に由来しています。

微小隕石は太陽系の「そこに何があるのか」を解明するのに役立っているとおっしゃっていましたね。なぜ小惑星がこれほど多様なのか、またなぜ小惑星や惑星がすべて同じ物質でできていないのか、お話しいただけますか？

もしその答えを正確に知っていたら、私は…いや、正確に言うと、おそらく裕福にはなっていないでしょう。有名になるでしょう。少しは。

これはパンを焼くのに少し似ています。ボウルを用意し、小麦粉を入れ、中央に砂糖を注ぎ、全体を混ぜ合わせます。混ぜていくと、砂糖は徐々にボウルの中で外側へ移動し、小麦粉と混ざります。つまり、時間の経過とともに組成が変化するのです。私たちの太陽系は、ビッグバン以来蓄積されてきた化学元素が混ざり合ったボウルの中で形成されたのです。

隕石や微小隕石を観察する際に私たちが目指しているのは、これらの様々な構成要素を観察し、それらが円盤のどこで形成されたのかを解明し、その歴史を再構築することです。円盤は300万年の寿命の中でどのように変化し、その間に惑星が形成されたのでしょうか？これは非常に重要な理解です。なぜなら、それぞれの惑星の性質は、その惑星を形成するために混合ボウルの中でその時点で蓄積された物質によって決まるからです。その物質が、惑星に生命が存在するかどうかの違いを生むかもしれません。そして、これらの原始惑星円盤の仕組みを理解することで、様々な恒星の周りの惑星がどのように見え、どのように形成されるかを予測できるようになります。

微小隕石から地球のことがわかるということも示しましたね？

はい、微小隕石が地球の大気と混ざり合う様子は、地球の大気圏上空だけでなく、地球の大気圏下空についても情報を与えてくれます。ほとんどの金属粒子は、地球の大気圏を通過する際に、必要な酸素をすべて地球の大気圏から得ています。金属粒子は加熱されて大気中の酸素と反応するため、酸素同位体を測定すると、その酸素は地球の酸素と完全に一致するのです。

2016年、アンディ・トンプキンスと共同で、オーストラリアの石灰岩で発見した27億年前の微小隕石に関する論文をネイチャー誌に発表しました。これらの球状隕石に含まれる酸素はすべて地球の大気に由来していることがわかりました。これにより、過去の地球の大気を測定する方法が得られました。これは、地質学者がこれまで行ってきた方法、つまり海底で成長した炭酸塩結晶を調べる方法よりもはるかに直接的です。海底では非常に複雑なプロセスを経て、その深さの水にどれだけの酸素が含まれていたかを計算し、それを表層水、そして地球の大気と関連付ける必要があります。これは非常に難しいことです。

一方、大気中で金属片を10秒間加熱すると、地上数キロメートル上空で瞬間的に酸素が吸収されます。これは地球の高層大気の組成を測定する優れた方法です。また、非常に優れた方法で、岩石に降り注いでこれらの小さな宇宙塵を集めれば、過去の地球の大気について知ることができます。これは本当に素晴らしいことではないでしょうか？さらに素晴らしいのは、これが地球上だけに限ったことではないということです。もし将来、火星で微小隕石が発見されれば、火星の大気の歴史を研究できるかもしれません。

すごいですね。それで、古代の微小隕石は地球の古代の大気について何を教えてくれたのでしょうか？

それまで、27億年前の地球の大気には酸素が極めて少なかったと考えられていました。しかし、オーストラリアで発見された微小隕石のおかげで、それが誤りだったことが分かりました。二酸化炭素に結びついていた可能性はあるものの、実際には酸素は豊富に存在していたのです。

私は、地球の歴史を通じて酸素と二酸化炭素のレベルをたどり、それらのレベルが進化の飛躍やその他の出来事とどのように関係しているかを示すグラフを見たことがあります。

いくつかの区画を見て、それらがどれほど異なっているかに気づくという楽しいゲームがあります。

古代の微小隕石は、地球システムをより深く理解するために、より正確なデータポイントを得る手段なのです。

ええ、その通りです。実はその後、オーストラリアに戻ってきました。もっと古い塵を見つけたかったので、3年前にピルバラを車で回り、ヘビや巨大なクモを避けながら、本当に古い岩石を採取しました。宇宙塵を探すために、たくさんの岩石を袋に詰めて戻ってきました。

微小隕石はどうやって見つけるのでしょうか?

微小隕石の残念なところの一つは、楽しい作業のほとんどが5分ほどで終わることです。そして、残りは実に退屈で、何千時間も顕微鏡を覗き込むことになります。2006年に南極のモレーン（氷河によって堆積した岩石や瓦礫の堆積物）で5分もかからずに集めた標本を、今も集めています。このモレーンには塵の層があったのですが、それをビニール袋に入れて、もうどれくらいの期間、もう15年近くもかけて作業しているんです。

難しいのは、どこですくうかを知ることだと思います。

幸運なことに、私は行った場所をよく見ていたので、何も問題ありませんでした。南極隕石探査隊に参加していて、このヌナタク（氷河から突き出た山頂）で隕石を探すことになっていたのです。ついでに、ヌナタク近くのモレーンに行って、微小隕石がないか探してみることにしました。少し雪をシャベルでかき除けたところ、雪の下に素敵な埃っぽい層ができていました。

だから、塵の中には微小隕石がたくさんあるはずだと考えました。そしてその通りでした。6キログラムの塵を集め、作業の半分ほどが過ぎたところで、3000個以上の粒子が見つかりました。おそらく、見逃したものもかなりあったでしょう。後にモレーンで発見した物質から、少なくとも70万年は塵が堆積していたことが判明しました。

それで、あなたは時々ゴミ袋に戻って、さらに整理しているのですか?

いつか誰かが誤って捨ててしまうのではないかと心配しているだけです。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、 シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。

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