太陽系の隠された海の魅惑的な謎

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

人類が存在していたほとんどの期間、地球は唯一知られている海に覆われた世界であり、他の宇宙の島とは異なっているように見えました。

しかし1979年、NASAの2機のボイジャー探査機が木星を通過しました。凍土の領域である衛星エウロパには、溝や亀裂がいくつも見られ、地表の下に何か活発なものがあるかもしれないという兆候が見られました。

「ボイジャーの後、人々はエウロパが奇妙で、海があるのではないかと疑った」とカリフォルニア大学サンタクルーズ校の惑星科学者フランシス・ニモ氏は言う。

そして1996年、NASAのガリレオ探査機がエウロパを通過し、内部から奇妙な磁場が発せられていることを発見しました。「それが何なのか、全く分かりませんでした」と、カリフォルニア大学ロサンゼルス校の宇宙物理学者で、探査機の磁力計を担当していたマーガレット・キベルソン氏は語ります。最終的に、彼女とチームは、エウロパ内部にある導電性の流体が、木星の巨大な磁場に反応して振動していることに気づきました。「唯一納得のいくのは、氷の表面下に液体の融解層があるのではないかということです」とキベルソン氏は言います。

2004年、NASAの土星探査機カッシーニは土星に到着しました。土星の小さな衛星エンケラドゥスを観測した際、衛星の南極にある巨大な裂け目から、きらめく氷の噴煙が噴出しているのを発見しました。そして、カッシーニがこれらの噴出孔を通過した時、その証拠は紛れもなく明らかになりました。それは、宇宙空間へと勢いよく流れ出る塩辛い海だったのです。

今や地球の海はもはや特別なものではなく、ただ奇妙な存在です。太陽に照らされた地球の表面に海が存在する一方で、太陽系外縁部の海は氷の下に隠れ、暗闇に包まれています。そして、こうした地下の液体の海は、私たちの太陽系において例外ではなく、当たり前のことのようです。エウロパとエンケラドゥスに加えて、氷に覆われた海を持つ他の衛星もほぼ確実に存在しています。今後10年間で、宇宙船がこれらの衛星を詳細に探査する予定です。

これらすべては、一見矛盾しているように思える。これらの衛星は、太陽系の凍てつく深淵に数十億年もの間存在してきた。これは、その誕生時の残留熱が何億年も前に宇宙に逃げ出すのに十分な長さだ。地下の海は、今頃は完全に氷で覆われているはずだ。では、太陽の熱をはるかに超える軌道を周回するこれらの衛星に、なぜ今も海が存在するのだろうか？

数十億年にわたって液体の海を維持するには複数の方法がある可能性を示唆する証拠が積み重なっています。これらの方法を解読することで、宇宙における生命の出現がどれほど容易か、あるいは困難かを探る探求が加速する可能性があります。古い宇宙船から新たに分析されたデータに加え、NASAのジュノー宇宙船とジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡による最近の観測結果は、これらの温かい海が生物学に有益な化学物質を含んでおり、生命が住める可能性のある場所は太陽系内だけではないという証拠をさらに増やしています。

これらの海洋衛星は、さらに壮大な可能性を秘めています。温暖で生命が存在できる可能性のある海は、惑星形成の必然的な結果である可能性があります。惑星とその衛星が主星の核爆発からどれほど離れているかは、問題にならないかもしれません。もしそれが真実なら、地球外生命体探索において探索できる地形の数はほぼ無限になります。

「氷の衛星の下に海があるというのは奇妙で、あり得ないことのように思えます」とNASAジェット推進研究所の宇宙生物学者兼地球物理学者であるスティーブン・ヴァンス氏は言う。

しかし、反抗的に、これらの異質な海は液体のままです。

鏡に包まれた海

科学者たちは、木星と土星を周回するいくつかの衛星、そしておそらく天王星と海王星を周回する衛星にも、海が存在すると推測している。巨大なガニメデと、クレーター跡の多いカリストは、エウロパのような弱い磁気信号を発している。土星の霞に覆われたタイタンも、地下に液体の海が存在する可能性が非常に高い。これらは「この分野のほとんどの科学者がかなり自信を持っている5つの衛星です」と、パデュー大学の惑星科学者マイク・ソリ氏は述べた。

今のところ、海洋の存在が確実に分かっているのはエンケラドゥスだけだ。「それは言うまでもない」とオックスフォード大学の惑星科学者カーリー・ハウエット氏は言う。

1980年代、一部の科学者はエンケラドゥスにプルームが存在するのではないかと疑っていました。土星のEリングは非常に清らかで輝いていたため、何か（おそらく土星の衛星のいずれかから）が宇宙空間に漏れ出し、絶えずプルームを新しくしているに違いないと考えていました。カッシーニがついにこの惑星を彩る魔法の作用を目撃した後、科学者たちは、エンケラドゥスの南極のプルームは太陽光によって衛星の殻にある氷が蒸発したものなのではないかと一時的に疑問を呈しました。ドライアイスが太陽光で加熱されて蒸発するのと少し似ています。

「しばらくの間、そもそも海が存在する必要があるのか​​どうかという議論がありました」とニモ氏は述べた。「その議論が決定的になったのは、カッシーニが噴煙の中を飛行し、塩、つまり塩化ナトリウムを発見した時です。あれが海です」。これらの噴煙が、より小さく孤立した海から噴出している可能性はまだ残っていた。しかし、カッシーニのさらなる観測により、エンケラドゥスの殻は非常に激しく揺れ動いているため、衛星の深部からは地球規模の海によって隔てられているに違いないことが明らかになった。

ベルリン自由大学の惑星科学者フランク・ポストバーグ氏によると、プルームは水素と石英も噴出しており、これは深海熱水噴出孔活動の兆候である。地球上では、このような噴出孔は太陽光が届かない場所に存在する生態系に必要な熱と化学反応を生み出している。かつて科学者たちは、光合成に依存する地球では存在し得ないと考えていた生物群集が存在するのだ。

しかし、海全体を熱するほどの強力な噴出孔システムを動かしているものは何なのだろうか？もう一つの衛星、つまりこの火のような衛星がその手がかりを与えてくれるだろう。

永遠の地獄の潮流

1979年6月、ボイジャー2号がエウロパに接近する1か月前に、科学者たちはボイジャー1号がイオの上空に巨大な傘型の噴煙が宇宙に吹き上がるのを目撃したと発表した。それはいくつかの火山の噴火の痕跡だった。

この観察結果は不可解だったはずだ。火山活動には内部の熱源が必要であり、イオは他の氷衛星と同様に、燃えさしに過ぎないはずだった。しかし、その数ヶ月前、独立した科学者チームがイオが活発な火山活動の惑星である可能性を正しく予測していたのだ。

彼らの予測は、木星の最大の衛星の軌道運動に基づいていた。イオが4周するごとに、エウロパは2周、ガニメデは1周する。共鳴と呼ばれるこの軌道構成により、イオは前後に揺れ動き、軌道は楕円形になる。イオが木星に近いとき、木星の重力はより強く引っ張る。遠いとき、木星の引力は弱まる。この終わりのない重力の綱引きにより、イオの岩石表面は100メートル、つまり30階建てのビルと同じ高さまで上下に揺れ動く。これは地球の潮汐と同じだが、水ではなく岩石の中で起こるのだ。

これらの潮汐力は衛星内部で摩擦を生み出し、熱を発生させます。そして、その潮汐加熱はイオ深部の岩石を溶かすほど強力です。「イオには水の海はありませんが、おそらくマグマの海があるでしょう」とニモ氏は言います。（ガリレオはイオでも、地球全体に広がる地下の溶岩の貯留層によって生成される二次磁場を観測しました。）

エウロパは潮汐加熱も受けています。しかし、これらの潮汐が海をどれだけ温めるかは、衛星内部のどこで発生するかによって異なります。つまり、海を液体に保つには、十分な量の熱が海に届く必要があるということです。「潮汐加熱は氷殻自体で起こっている可能性もあれば、その下の岩石核で起こっている可能性もあります」とニモ氏は言います。科学者たちはどちらの説が正しいのか分かっていないため、潮汐加熱がエウロパの液体内部にどれだけ寄与しているかを確実には言えません。

エンケラドゥスもまた、隣接する衛星ディオネとの重力的な相互作用によって引き伸ばされ、圧縮されています。理論上は、これが潮汐力を生み出し、衛星内部を温める可能性があるとされています。しかし、ディオネとの共鳴によって生じる潮汐力は、少なくとも理論上は、エンケラドゥスの海の存在を説明するには不十分なようです。ソリ氏によると、これらの数値はまだ当てはまらず、発生する熱量は太陽系誕生以来数十億年にわたり地球全体の海を維持するには不十分です。おそらくエウロパと同様に、科学者たちはエンケラドゥス内部のどこで潮汐力が熱を生み出しているのか、まだ完全には解明していないのでしょう。

もう一つの混乱要因は、軌道が天文学的な時間の中で一定ではないことです。惑星系が進化するにつれて衛星は移動し、「物体が異なる共鳴状態に出入りするにつれて、潮汐加熱がオンとオフになることがあります」と、英国オープン大学の惑星科学者デビッド・ロザリー氏は述べています。科学者たちは、かつてダンスパートナーだった可能性のある天王星の衛星ミランダとアリエルでこれが起こったと考えています。これらの衛星はかつて地質学的に活発だったように見えますが、今では中心部まで凍りついていると言えるでしょう。

同様に、エンケラドゥスは常にディオネのダンスパートナーだったわけではないかもしれない。土星の周りを回るディオネのダンスは比較的最近になって始まり、以前は固体だった衛星を温めたのかもしれない。しかし、このシナリオも説明が難しい。「海を凍結させて再び溶かすよりも、周囲に海を維持・維持する方が簡単だ」とソリ氏は言う。したがって、もしエンケラドゥスの海が潮汐加熱のみによるものだとすれば、この衛星は数十億年もの間、踊り続けてきたベテランダンサーということになる。

今のところ、この衛星の海について確かなことは、それが存在するということだけだ。それがどのようにして誕生し、今日まで存在しているのかは、「未だに解明されていない大きな疑問の一つです」とソリ氏は言う。「エンケラドゥスについては、解明が難しいのです」

放射能反逆者

幸いなことに、暖かい月の内部は潮の満ち引き​​にのみ依存しているわけではありません。

地球内部の熱の半分は誕生時に発生しました。残りは放射性元素の崩壊によって生じます。同様に、氷の衛星の岩石に富んだ深部には、ウラン、トリウム、カリウムが相当量含まれているはずです。これらは、安定元素に崩壊して熱を放出しなくなるまで、数億年、あるいは数十億年もの間、周囲を加熱し続けることができる放射性元素です。

より大きな衛星は、より豊富な放射性物質の蓄えを持って誕生したと考えられます。そして、おそらくそれだけが、それらの衛星の海に必要な条件なのです。「ガニメデ、カリスト、タイタンのような大きな衛星の場合、この放射性物質の作用によって、海は必然的に形成されるのです」とヴァンス氏は言います。冥王星にも地下海が存在すると主張する科学者もいます。3つの衛星と同様に、この準惑星も十分に厚い地殻によって遮蔽されており、放射能を帯びた炉が宇宙空間に漏れ出すのを遅らせていると考えられます。

しかし、エンケラドゥスのようなリリパット衛星の比較的小さなハートには、数十億年もの間温かさを保つのに十分な放射性物質は含まれていません。この難問に対する納得のいかない解決策の一つは、エンケラドゥスは単に幸運だっただけかもしれないというものです。放射能は、エンケラドゥスが海洋であった初期の過去の一部を説明でき、ディオネとの交錯はより最近の出来事である可能性があります。おそらく「私たちは今、放射性加熱が非常に低下し、潮汐加熱が優勢になるクロスオーバー点にいるのかもしれません」とポストバーグ氏は言います。

もしそうなら、エンケラドゥスは宇宙の縮図、つまり潮汐加熱と放射能の偶然の組み合わせなのかもしれません。そうなると、海洋衛星はどこにでも存在する可能性もあるでしょう。あるいは逆に、ほとんどどこにも存在しない可能性もあるでしょう。

若々しい海

一方、議論の余地はあるが、一部の科学者はエンケラドゥスが驚くほど若い可能性があると主張している。

カッシーニ探査機が収集した膨大なデータの中には、土星の象徴的な環が生まれたばかりではないことを示すヒントが隠されています。多くの科学者は、環はわずか数億年前に形成されたと確信しています。スーパーコンピューターを用いて衛星同士の衝突をシミュレートした新たな研究では、剣竜が地球を闊歩していた頃に、2つの古代の衛星が衝突して土星の環が形成されたことが示唆されています。この衝突により、土星の軌道には無数の氷の破片が散乱しました。多くの破片が環を形成した一方で、既存の衛星を破壊し、新しい環を生み出したものもあります。もし環が若いのであれば、エンケラドゥスや他のいくつかの衛星も若い可能性があります。

「衛星が若いと考えることに人々がより寛容になっているように感じます」と、カリフォルニア州マウンテンビューにあるNASAエイムズ研究センターの研究科学者で、最近の環形成に関する研究の共著者であるジェイコブ・ケゲライス氏は述べた。

この考えを裏付けるもう一つの展開として、土星の衛星の中には、科学者たちが年齢を知らないものもあることが判明した。「エンケラドゥスは、わずか数億年か数千万年しか経っていない可能性があります」とロザリー氏は述べた。もしそうだとすれば、その激しい誕生の熱が、今もなおエンケラドゥスの若い海を液体のまま保っている可能性がある。

しかし、若い衛星の話は確かなものではない。多くの衛星に見られるクレーターの数の多さは、これらの衛星が太陽系のピンボールのような大混乱を幾億年も経験してきたことを示唆している。「土星系では、数億年前に何か奇妙なことが起こったのではないかと思います」とニモ氏は言う。「しかし、私の推測では、すべての衛星の年齢は45億年です。」

衛星占い師

ガリレオとカッシーニのミッションが長らく中止となった今、科学者たちは二つの宇宙船に希望を託している。一つは最近打ち上げられた欧州宇宙機関（ESA）の木星氷衛星探査機「エウロパ・クリッパー」、もう一つは未だ打ち上げられていないNASAの探査機「エウロパ・クリッパー」だ。どちらも2020年代初頭に木星に到着する予定だ。

そして、それは私たちを、地球の海が存在する宇宙的背景を初めて再考させるきっかけとなった衛星、エウロパへと戻します。

2024年10月に打ち上げ予定のクリッパー探査機の目標の一つは、ミッションの目標リストにあるように、エウロパに海が存在することを「確認する」ことだ。「その言葉については多くの議論がありました」とニモ氏は述べた。クリッパーは海以外の何かを発見するかもしれない。溶けた水が溜まった凍った海があるかもしれない。あるいは「薄い金の層かもしれません」とニモ氏は冗談めかして言った。「そこに海があることは99%確実だと思います」

クリッパーがエウロパの海の存在を確認できたと仮定すると、同探査機はエウロパとその地下海の特性解明に着手することになる。そのために、探査機はまず、エウロパの表面に、そして運が良ければその下の海に存在する分子を特定する。月の近くを通過する際、クリッパーは月の表面から漂う微細な塵、氷、水蒸気を吸い込む。これらの粒子は、搭載されている表面塵分析装置によって分析される。粒子が金属板に衝突すると蒸発して帯電し、装置によって粒子の化学的性質が明らかになる。

噴煙がエウロパの海を宇宙空間にゆっくりと噴出させているのではないかと期待されている。そうすれば、クリッパーの探査は大幅に容易になるだろう。そのような噴煙は存在するかもしれないが、エンケラドゥスのような噴煙ではないだろう。より断続的で、地理的に散発的かもしれない。あるいは、全く存在しない可能性もある。その場合、微小隕石の衝突が氷の殻を削り取り、少量の海水を解放してクリッパーに向かって噴出させているのではないかと期待されている。

そして、エウロパや他の衛星が保温のために頼っている化学的な仕組みは、私たちが想像するほど異質ではないかもしれない。冬には「融点を下げるために道路に塩を撒きます」とソリ氏は言う。エウロパの海は特に塩分濃度が高く、それが氷点を下げるのかもしれない。しかし、より効果的な不凍液となる化合物は他にもあるだろう。「特にアンモニア」とソリ氏は言う。アンモニアは太陽の蒸発するような輝きから遠いほど豊富に存在する。

潮汐、放射能、化学反応、そして若さ。これらの要素が適切に混ざり合えば、氷の衛星に海を作り出し、維持することができる。「これらすべてを考慮すると、どちらか一方だけを選ぶという選択肢はないと思います」とハウエット氏は述べた。衛星ごとに具体的なレシピは異なるかもしれない。海に満ちた氷の衛星を作る方法は何百通りもあるかもしれない。

エウロパの秘密の海の発見は「衛星に対する人々の考え方を真に変えた」とキベルソン氏は述べた。そして、この発見は科学を、地球外生命体がこれらの未知の海に生息しているかどうかを探る方向に導き、ひょっとすると宇宙における私たちの位置づけについての認識を永遠に変えるような発見をもたらすかもしれない。

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。