木星の火山衛星イオの謎の内部構造

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

スコット・ボルトンが初めてイオに遭遇したのは、1980年の夏、大学を卒業しNASAに就職した直後のことだった。ボイジャー1号探査機が木星のこの衛星を通過し、地球以外の惑星で活発な火山活動が初めて確認された。イオの表面一面から、マグマ性物質が傘状に噴き出し、宇宙空間へと噴き出していた。「それは驚くほど美しく見えました」と、現在テキサス州のサウスウエスト研究所に所属するボルトンは語る。「まるで画家が描いたかのようでした。地球の衛星と比べて、どれほどエキゾチックな光景なのか、驚きました」

ボルトン氏をはじめとする科学者たちは、それ以来ずっとイオの活発な火山活動の解明に取り組んできました。有力な説は、イオの地殻直下に、広大な液体の岩石が連続して存在するマグマの海が地球全体に広がっているというものです。この説は、イオの火山がほぼ均一に分布していることを示す観測結果など、いくつかの観測結果と見事に一致しています。これらの火山は、遍在する同じ地獄のような溶融源を利用していると考えられます。

しかし今、イオの地獄は消え去ったようだ。というか、そもそも存在しなかったのかもしれない。NASAのジュノー探査機が最近、火山衛星ジュノーをフライバイした際、科学者たちはイオの重力がジュノーに与える影響を測定した。探査機のごくわずかな揺れから、イオの質量分布、ひいては内部構造を解明したのだ。科学者たちはネイチャー誌に、イオの地殻直下には目立った物質は何も動いていないと報告した。

「浅い海は存在しない」とジュノー探査機を率いるボルトン氏は語った。

独立した科学者たちは、この研究に何ら欠点を見いだせない。「結果と研究は完全に確固たるもので、非常に説得力がある」と、カリフォルニア工科大学の惑星科学者キャサリン・デ・クレア氏は述べた。

このデータは、他の岩石惑星にも波及する謎を再び解き明かしました。イオの火山活動は、重力によって引き起こされる潮汐加熱と呼ばれるメカニズムによって推進されており、このメカニズムによって岩石が溶かされてマグマとなり、地表から噴出します。イオはこのメカニズムの典型例ですが、潮汐加熱は他の多くの惑星にも影響を与えており、その中にはイオの隣に位置する氷の衛星エウロパも含まれます。エウロパでは、この熱によって地下に塩水の海が存在すると考えられています。NASAは、エウロパの空に浮かぶ、地下海とされる海に生命の兆候がないか探査するため、50億ドル規模の探査機クリッパーを打ち上げました。

しかし、イオにマグマの海がないとしたら、エウロパにとってそれは何を意味するのでしょうか？そして科学者たちは今、潮汐加熱は一体どのように機能するのか疑問に思っているのです。

溶けるマグマ

熱は地質学、つまり火山活動や大気化学から生物学に至るまで、あらゆるものの基盤となる岩石の基盤を支えています。熱は多くの場合、惑星の形成や放射性元素の崩壊によって生じます。しかし、衛星のような小さな天体には、そのような元素と残留熱の蓄えがわずかしかなく、それが枯渇すると地質活動は停滞します。

あるいは、少なくともそうあるべきなのだが、太陽系全体にわたって、地質学的に消滅したはずのずっと後も、何かが小さな球体に地質学的な生命を与えているようだ。

イオはこの不可解な惑星群の中で最も華やかなメンバーであり、ジャクソン・ポロックの絵画のような焦げたオレンジ、深紅、そして黄褐色の色彩を帯びています。イオから溢れ出る溶岩の塊の発見は、惑星科学における最も有名な逸話の一つです。発見される前から、その存在が予測されていたからです。

1979年3月2日、サイエンス誌に掲載された論文で、イオの奇妙な軌道について考察が展開された。近隣の衛星の位置と軌道の影響で、イオの軌道は円ではなく楕円形となっている。そして、イオが木星に近いときには、遠いときよりも木星からの重力の影響が強くなる。研究者たちは、木星の重力がイオを常に揉み、表面を最大100メートル上下に引っ張り、計算によると内部に大量の摩擦熱を発生させているに違いないと考えた。このメカニズムは「潮汐加熱」と呼ばれている。彼らは、イオは太陽系で最も高温になる岩石天体かもしれないと推測した。「広範囲にわたる地表火山活動が繰り返し発生する可能性もある」と彼らは記している。

わずか3日後、ボイジャー1号が接近しました。3月8日に撮影された画像には、地表に2つの巨大な噴煙がアーチ状に伸びている様子が記録されていました。NASAの科学者たちは、他の原因をすべて排除した後、ボイジャーが地球外惑星の火山噴火を観測したと結論付けました。彼らはこの発見を、予測からわずか3か月後の6月にサイエンス誌に発表しました。

惑星科学界は、イオ内部の潮汐加熱が表面での絶え間ない火山活動の原因であるという考えにすぐに賛同しました。「何十年も未解明だったのは、それが内部構造にどのような影響を与えるかということです」と、パデュー大学の惑星地球物理学者マイク・ソリ氏は述べています。イオ内部の潮汐加熱はどこに集中しているのでしょうか？そして、どれほどの熱と融解を生み出しているのでしょうか？

NASAのガリレオ探査機は、2000年代初頭に木星とそのいくつかの衛星を調査しました。搭載機器の一つである磁力計は、イオから発せられる特異な磁場を捉えました。その信号は、導電性の流体、実際には大量の流体から発せられているように見えました。

長年の研究を経て、科学者たちは2011年、ガリレオ探査機がイオの地殻直下にマグマの海を発見したと結論付けました。地球のマントルは大部分が固体で可塑性であるのに対し、イオの地下は厚さ50キロメートルの液体の岩石の海で満たされていると考えられていました。これは太平洋の最深部の厚さの約5倍に相当します。

エウロパからも同様の磁場が来ていましたが、今回は広大な塩水の海によって生成されたようです。その意味は重大です。岩石質が多ければ、潮汐加熱によってマグマの海が形成されます。氷が多ければ、生命が存在できる可能性のある液体の水の海が形成される可能性があります。

火山消失行為

2016年に木星探査機ジュノーが木星の周りを周回し始めた頃には、イオにはマグマの海が存在するという説が広く信じられていました。しかし、ボルトン氏とその同僚たちは、それを再確認したいと考えました。

2023年12月と2024年2月のフライバイで、ジュノーはイオの焼け焦げた表面から1,500キロメートル以内に接近しました。活火山の驚くべき画像が皆の注目を集めましたが、これらのフライバイの目的は、イオの岩石層の下に本当にマグマの海が存在するかどうかを明らかにすることでした。

調査のため、研究チームは意外なツールを使用しました。それは、地球と通信し、信号を送受信するジュノーの無線トランスポンダーです。イオは質量が不均一に分布しているため、重力場は完全に対称ではありません。この不均一な重力場は、ジュノーが接近する際にその動きを微妙に変化させ、わずかに加速または減速させます。

つまり、ジュノーの電波送信はドップラー効果を受けることになります。ドップラー効果とは、イオの不均一な重力場に応じて波長がわずかに変化する現象です。ボルトン氏のチームは、送信におけるこの非常に小さな変化を観察することで、イオの重力場の高精度画像を作成し、それを用いて内部構造を解明することができました。「もし実際に地球全体にマグマの海が存在するなら、イオが木星を周回し、潮汐力によって歪んで形を変えるにつれて、はるかに大きな歪みが見られるはずです」と、NASAジェット推進研究所の火山学者アシュリー・デイヴィス氏は述べています。デイヴィス氏は今回の研究には関わっていません。

しかし、ボルトン氏のチームはこれほどの歪みは発見しなかった。彼らの結論は明確だった。「火山の活動を支える浅いマグマの海は存在し得ない」と、ジェット推進研究所のジュノー共同研究者で、論文共著者のライアン・パーク氏は述べた。

では、イオの火山の活動に他に何が影響を与えているのでしょうか?

地球には、爆発的な噴火の原動力となるタールのような粘性物質から、一部の火山から噴出する蜂蜜のようなサラサラとした物質まで、様々な種類のマグマが地殻内の様々な深さに点在しています。これらはすべて、地球の表層を構成する動くジグソーパズルのピースであるプレートの相互作用によって形成されています。イオにはプレートテクトニクスがなく、（おそらく）多様な種類のマグマも存在しませんが、それでも地殻にはマグマ溜まりが点在している可能性があります。これは、ガリレオのデータによって多くの人がマグマオーシャン説を確信するまで、当初の考え方の一つでした。

新たな研究は、はるかに深いマグマオーシャンの存在を否定するものではない。しかし、その深海に眠るマグマは、（その深度ゆえに）鉄分を豊富に含み、密度が非常に高いマグマで満たされている必要がある。そのため、イオの火山活動の原動力となる地表まで移動するのは困難だろう。「そして、ある程度の深さになると、いわゆる深部マグマオーシャンと液体コアを区別することが難しくなる」とパーク氏は述べた。

これは一部の人々にとって、相容れない問題を提起する。ガリレオの磁力計は浅いマグマオーシャンの兆候を検知したが、ジュノーの重力データはそれを明確に否定している。「磁力計の結果自体に異論を唱える人はいないので、他のすべてのものと整合させる必要がある」と、ブリガムヤング大学の惑星地質学者、ジャニ・ラデボー氏は述べた。

ガリレオ探査データの最良の解釈については、研究者の間で意見が分かれている。カリフォルニア大学サンタクルーズ校の惑星科学者で、今回の研究の共著者でもあるフランシス・ニモ氏は、「磁気信号はおそらくマグマオーシャンの存在を示す最良の証拠と考えられていたが、実際にはそれほど強力ではなかった」と述べている。誘導データでは、部分的に溶融した（しかしまだ固体である）内部と完全に溶融したマグマオーシャンを区別できなかったとニモ氏は述べた。

重水

科学者がイオを研究する主な理由は、おそらく、それが潮汐加熱の基礎を教えてくれるためでしょう。イオの潮汐加熱エンジンは依然として驚異的で、火山に供給する大量のマグマが生成されているのは明らかです。しかし、地下にマグマの海が形成されていないのであれば、潮汐加熱によって水の海も生成されないということになるのでしょうか？

科学者たちは依然として海の存在に自信を持っている。土星の衛星エンケラドゥスも潮汐加熱を受けており、その地下に塩水の海が存在することに疑問を抱く者はいない。土星探査機カッシーニは、その存在の兆候を検出しただけでなく、衛星の南極から噴出する海の一部を直接採取した。エウロパに海が存在するかどうかについては多少の懐疑論もあるものの、ほとんどの科学者は海が存在すると考えている。

重要なのは、イオの奇妙な磁場が海ほどの量の流体を隠蔽している可能性を示唆しているのに対し、エウロパ自身のガリレオ時代の磁気信号が依然として強力であることだ。「エウロパでは非常に明確な結果が得られました」と、ジェット推進研究所のエウロパ計画プロジェクトサイエンティスト、ロバート・パパラルド氏は述べた。氷の衛星であるエウロパは、木星やイオの強烈なプラズマに満たされた宇宙環境から十分に離れているため、エウロパ自身の磁気誘導信号は「非常に目立っている」のだ。

しかし、両方の衛星が潮汐加熱されているのなら、なぜエウロパだけに内部海があるのだろうか？ニモ氏によると、「液体の水の海とマグマの海には根本的な違いがあります。マグマは逃げ出そうとしますが、水は逃げ出そうとしません」。液体の岩石は固体の岩石よりも密度が低いため、急速に上昇して噴火しようとする。今回の研究では、イオ内部でマグマが長く留まらず、巨大な相互につながった海を形成することはないことが示唆されている。しかし、液体の水は、異例なことに、固体の氷よりも密度が高い。「液体の水は重いので、海に集まります」とソリ氏は述べた。

「それがこの論文の全体的なメッセージだと思います」とソリ氏は付け加えた。潮汐加熱ではマグマの海を形成するのは難しいかもしれない。しかし、氷の衛星では、氷の密度が異常に低いため、容易に水の海を形成できる。そして、これは太陽系全体に、生命が住処と呼べる可能性のある環境が多数存在することを示唆している。

地獄のポスターチャイルド

イオの浅いマグマの海が失われているという発見は、潮汐加熱についていかに情報が乏しいかを浮き彫りにしている。「イオ内部のどこでマントルが溶けているのか、そしてそのマントルの融解物がどのようにして地表に到達しているのか、私たちはこれまで完全に理解していませんでした」とデ・クレール氏は述べた。

私たちの月にも、太古の潮汐加熱の証拠が見られます。月の最古の結晶は、45億1000万年前、巨大衝突によって地球から吹き飛ばされた溶融物質の流れから形成されました。しかし、月の結晶の多くは、43億5000万年前の第二の溶融岩石の貯留層から形成されたようです。この後代のマグマはどこから来たのでしょうか？

ニモ氏と共著者らは、12月にネイチャー誌に掲載された論文の中で、地球の月はイオのような存在だったかもしれないという一つの仮説を提示した。当時、月は地球にかなり近かったため、地球と太陽の重力場が支配権を争っていた。ある閾値、つまり両者の重力の影響がほぼ等しくなった時点で、月は一時的に楕円軌道を取り、地球の重力による潮汐加熱を受けた可能性がある。月の内部が再溶融し、予想外の二次的な火山活動を引き起こした可能性がある。

しかし、月の内部で潮汐加熱が正確にどこに集中していたのか、そして、そのすべての融解がどこで起こっていたのかは明らかではない。

イオが理解できるなら、私たちの月も、そして太陽系の他のいくつかの衛星も、隠れた潮汐エンジンを持つものも理解できるかもしれません。今のところ、この火山のような球体は、気が狂いそうなほど不可解です。「イオは複雑な怪物です」とデイヴィス氏は言います。「観測すればするほど、データと分析は洗練され、ますます謎が深まります。」

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。