月の永久影の秘密が明らかに

2009年10月9日、時速9,000キロメートルで飛行する2トンのロケットが月に衝突しました。爆発によって塵が舞い上がり、月面は数百度にまで熱せられました。ロケットが突入したカベウスと呼ばれる漆黒のクレーターは、数十億年ぶりに一瞬光に包まれました。

この衝突は事故ではありませんでした。NASAの月クレーター観測・探査衛星（LCROSS）ミッションは、衝突によって月の影から何が巻き上げられるかを調べることを目的としていました。ロケットの後続の宇宙船が塵の噴煙の中を飛行してサンプルを採取し、NASAの月偵察衛星（LOR）が遠くから観測を行いました。実験の結果は驚くべきものでした。科学者たちは塵の噴煙の中に155キログラムの水蒸気が混じっていることを検出しました。彼らは初めて、月に水を発見したのです。「これはまさに決定的な発見でした」と、LCROSSの主任研究者であるNASAエイムズ研究センターのアンソニー・コラプリテ氏は述べています。

月は明らかに水の貯蔵庫ではない。「よく考えてみると、本当に不思議なことです」とアリゾナ州立大学の惑星科学者マーク・ロビンソン氏は言う。大気が欠如し、気温が極端に高いため、水はほぼ瞬時に蒸発するはずだ。しかし約25年前、宇宙探査機が月の極地付近で水素の痕跡を検知し始め、水が氷として閉じ込められている可能性が示唆された。LCROSSはこの理論を証明した。科学者たちは現在、月には少量の水氷ではなく、6兆キログラムの水氷が存在すると考えている。

この氷の大部分は、月の極にある永久影領域（PSR）と呼ばれる特殊な地形に存在します。これらは、月の軌道の形状上、太陽が届かないカベウスのようなクレーターです。「それらは永久に暗闇の中にあります」と、ドイツのマックス・プランク太陽系研究所の惑星科学者、ヴァレンティン・ビッケル氏は述べています。

PSRは科学者にとって非常に興味深いものです。内部の温度は摂氏マイナス170度を下回ることもあります。「一部のPSRは冥王星の表面よりも低温です」と、メリーランド州にあるジョンズ・ホプキンス大学応用物理学研究所の惑星科学者、パルバシー・プレム氏は述べています。これは、PSR内の月面上または地表下の氷が必ずしも溶けるわけではないことを意味します。むしろ、数十億年もの間そこに存在していた可能性があります。氷の化学組成を研究することで、それがどのようにして月へ運ばれたのかが明らかになり、ひいては地球、あるいはあらゆる恒星の周りの岩石惑星における水の起源が明らかになるはずです。また、将来、月面での人類活動のための資源となる可能性もあります。

これまでの研究は、せいぜい魅惑的な一瞥を提供する程度だった。しかし、それは間もなく変わる。来年、ロボット探査機が初めてPSRの氷の奥深くに突入し、これらの影に覆われたクレーターの内部の様子を明らかにする。NASAは10年末までに、有人探査機を派遣して直接探査を行う計画だ。

月面着陸という新たな時代を目前に控え、PSRに関する数々の新たな研究により、これらの影の領域は科学者の想像をはるかに超える奇妙な存在であることが明らかになった。その影に潜むものは一体何なのだろうか？

「何が見えるかは分かりません」と、来年のロボットミッションの主任科学者であるロビンソン氏は語った。「それが一番クールなことです。」

水、水、どこにでも

PSRに関する憶測は1952年に遡ります。アメリカの化学者ハロルド・ユーリーが、月面にその存在を初めて仮説しました。「月の極付近には、太陽の光が届かない窪みがあるかもしれない」と彼は記しています。地球の自転軸は23.5度傾いているのに対し、月の自転軸はわずか1.5度傾いていると彼は指摘しました。これは、太陽光線が極にほぼ水平に当たることを意味し、極地のクレーターの縁が光を直接その深部まで届かせないことを意味しています。しかしユーリーは、太陽の光が届かないこれらの場所の氷は、月には大気がないため「急速に失われる」と考えていました。

そして1961年、ローレンス・バークレー国立研究所の地球物理学者ケネス・ワトソンは、PSR内部に氷が残存する可能性があるという理論を立てました。月の夜側の気温はマイナス150度まで下がることが知られており、ワトソンと二人の同僚は、宇宙空間にさらされているにもかかわらず、最も寒い場所に氷が閉じ込められるはずだと主張しました。「月の恒久的な日陰の領域にも、依然として検出可能な量の氷が存在するはずだ」と彼らは記しています。

科学者たちは、1990年代初頭までPSRに氷が存在する可能性について議論を続けていました。このとき、レーダー機器が水星の両極に氷の兆候を検知しました。水星はクレーターを永久影で覆っていると考えられていました。1994年、NASAのクレメンタイン宇宙船に搭載されたレーダー機器を用いて、科学者たちは月の南極上空で、水氷の存在と一致する強力な信号を検出しました。そして、探査が始まりました。

1999年、コーネル大学のジャン＝リュック・マルゴ氏とその同僚たちは、月面に氷を含む可能性のあるPSR（極域）を特定しました。彼らはカリフォルニア州モハーベ砂漠に設置されたレーダーアンテナを用いて、月の極域の地形図を作成しました。「太陽光の方向をシミュレーションし、地形図を用いて永久影になっている領域を特定しました」とマルゴ氏は述べています。

彼らはほんの一握りのPSRを発見しただけだったが、その後の研究で数千ものPSRが特定された。最大のものは、グランドキャニオンの2倍の深さを持つ月の南極のシャクルトン・クレーターのような巨大クレーター内にあり、直径は数十キロメートルに達する。最小のものは幅わずか数センチメートルだ。3月にヒューストンで開催された月惑星科学会議で、NASAゴダード宇宙飛行センターの惑星科学者ケイトリン・アーレンズ氏は、月面の気温変動に伴い、一部のPSRがわずかに拡大したり縮小したりする可能性があることを示唆する研究を発表した。「これらは非常にダイナミックな寒冷領域です」とアーレンズ氏はインタビューで述べた。「停滞しているわけではありません」

アリゾナ大学の大学院生で、ヒューストンでこの説の証拠を発表したパトリック・オブライエン氏は、新たな研究によると、一部のクレーターには二重影の領域、つまり「影の中の影」が存在することを示唆していると述べた。永久影領域（PSR）は直射日光を浴びないが、ほとんどのクレーターはクレーターの縁で反射光を受け、これが氷を溶かす可能性がある。二重影領域とは、PSR内部に存在し、反射光を受けない二次的なクレーターのことだ。「温度は永久影よりもさらに低くなる可能性があります」とオブライエン氏は述べ、マイナス250度に達することもある。

氷の秘密

二重影の領域は、もしそこに二酸化炭素や窒素といった、より珍しい氷が存在するならば、それらを凍らせるほど低温です。科学者たちは、これらの領域とPSR内の水氷の化学組成から、水が月、そしてさらに重要なことに、地球、そして一般的な岩石惑星にどのように到達したかが明らかになる可能性があると述べています。「水は、私たちが知る生命にとって不可欠です」と、コロラド大学ボルダー校の惑星科学者、マーガレット・ランディス氏は述べています。問題は、「地球上の生命にとって好ましい条件は、いつ、どのようにして形成されたのか」ということです。地球の過去は地質学的プロセスによってかき乱されてきましたが、月は太陽系の歴史の博物館です。月の氷は、到来以来、ほとんど手つかずのまま残されていると考えられています。

月への水の移動経路については、主に3つの説があります。1つ目は、小惑星や彗星の衝突によって月に到達したというものです。この説では、太陽系が形成された際、高温の太陽系内部の水分子は太陽風によって蒸発・吹き飛ばされ、極寒の外縁部にある水だけが凝縮して氷の天体を形成することができました。その後、これらの天体が月を含む太陽系内部に衝突し、水を供給したとされています。2つ目の説は、月が中期に火山噴火を起こし、一時的に薄い大気層が形成され、それが極地で氷の形成を引き起こしたというものです。あるいは、太陽風によって水素が月に運ばれ、酸素と混ざって氷が形成されたという説もあります。

2月にNature Communications誌に掲載されたLCROSSプルームの再分析結果によると、カベウス・クレーターの氷は彗星起源である可能性が最も高いことが示唆されました。ジョンズ・ホプキンス大学応用物理学研究所のキャスリーン・マント氏らは、水とともに氷に固まった窒素、硫黄、炭素の量を分析した結果、「彗星起源説が最も有力な説明となる」と結論付けました。「窒素と炭素の比率は、火山活動がもたらしたと考えられる量をはるかに超えていました」とマント氏は述べています。

もし月の氷が彗星によってのみ運ばれたとしたら、地球でも同じことが起こったかもしれない。つまり、岩石惑星は生命の繁栄に必要な水を蓄積するために、そのような衝突を経験しなければならなかったということだ。しかし、ランディス氏は、マント氏の研究が月の氷すべてに当てはまるかどうかを判断するのは時期尚早だと述べている。「研究者たちは、この研究結果を理解するためにもう少し時間が必要です」と彼女は述べた。

月の氷の一部が火山起源であると判明した場合、惑星は衝突に頼るのではなく、内部から水を生成する生来の能力を持っていることを示唆することになる。「すべての太陽系に彗星や小惑星がたくさんあるわけではないかもしれません」とランディス氏は述べた。「しかし、岩石惑星を形成する太陽系は、（火山）噴火によって水を湧き出させる能力を持っている可能性があります。」

PSRにおける異質な氷の探索に加え、科学者たちは水氷に含まれる水素の重い同位体である重水素の割合も測定したいと考えています。重水素が多ければ彗星で見つかるものとより一致しますが（割合は様々ですが）、少なければ太陽風の影響が示唆されます。火山起源の場合は、その中間のどこかに該当するでしょう。他の元素も有益な情報となるでしょう。例えば、火山起源の氷には、月内部から吸い上げられた硫黄が豊富に含まれていなければならないと、コロラド大学ボルダー校の惑星科学者、ポール・ヘイン氏は述べています。

深淵へ

これまでの月探査では、月の永久影に踏み込んだことはありません。アポロ計画の着陸は月の赤道付近で行われ、当時は月周回軌道（PSR）に関する知識はまだ初期段階でした。2019年には、中国の嫦娥4号着陸機と探査車が南極に着陸しましたが、PSRをターゲットにすることはありませんでした。

しかし2017年、トランプ大統領はNASAに対し、人類を再び月へ送るという指令に署名しました。この計画は後に「アルテミス計画」と名付けられました。2020年代半ばに予定されているアルテミス計画による初の有人月着陸（月面の永久影クレーターへの初探査も含まれる可能性があります）に先立ち、NASAは民間企業に資金を提供し、初期のロボット探査を実施しています。

ヒューストンに拠点を置くインテュイティブ・マシーンズは、短期間ではあるが、これらの企業の中で初めてPSRの探査を行う。同社のノヴァC着陸機は、スペースXのロケットで今年末までに打ち上げが予定されており、シャクルトンクレーター近くの尾根に着陸する予定だ。このクレーターは、その後の有人探査の対象となる可能性がある。着陸機はその後、マイクロノヴァホッパーと呼ばれるスーツケースサイズの乗り物を展開する。インテュイティブ・マシーンズは月惑星科学会議で、この探査の詳細を明らかにした。ホッパーはスラスタを使って月面を一度に最大数百メートルジャンプし、3回のジャンプでPSRがある幅100メートルのマーストンクレーターの縁に到達する。その後、ホッパーはマーストン上空でエンジンを噴射し、漆黒の深淵へと降下する。

着陸機にはカメラとライトが搭載されているが、何が見えるかは不明だ。ミッションの主任科学者であるロビンソン氏は、表面に氷の層がある可能性もあるが、着陸機のライトが月の土壌に混ざった氷の結晶に反射する可能性が高いと述べている。あるいは、表面に氷がほとんどない場合は、画像にはっきりと映らない可能性もある。いずれにせよ、この光景は歴史的なものとなるだろう。

ホッパーのマーストン探査は45分以内で、科学的な成果も限定的となる。主な目的は、ホッピング方式の有効性を実証することだ。しかし、月の深淵へのより徹底的な潜航は、そう長くは待たずに実現するだろう。

掘り下げる

今夏、NASAの新型スペース・ローンチ・システム（SPSS）ロケット（アルテミス計画の月探査機となる）の初打ち上げでは、月周回軌道からPSRを観測する複数の小型宇宙船が打ち上げられる予定だ。一方、8月に打ち上げられる韓国の探査機には、PSRを撮影するために設計されたNASAの専用機器「ShadowCam」が搭載される予定だ。

しかし、ロボットによるPSR探査における決定的な瞬間は、2023年後半に訪れるだろう。ゴルフカートほどの大きさのローバー「VIPER（揮発性物質調査極地探査ローバー）」が、SpaceX社のファルコン・ヘビーロケットで月へと向かうのだ。着陸機から降りたVIPERは、月の永久影領域3か所に進入し、地表を掘削する。

探査車は最大10時間連続稼働し、その後は太陽電池式バッテリーの充電のために地上に降り立ちます。その後、最大1メートルの深さまで掘削して地下の氷を探したり、表面に露出した氷を掘り進めたりします。「氷塊があれば、突き抜けるのが非常に困難なので、すぐに分かります」と、掘削機を設計したコロラド州のハニービー・ロボティクス社のクリス・ザクニー氏は述べています。チームは最大50回の掘削セッションを実施する予定です。

VIPERはこれらの地域に関する私たちの知識に「革命」をもたらすだろうとランディス氏は述べた。発見された氷を分光計で分析し、重水素と水素の比率を明らかにし、二酸化炭素や窒素の存在を示す痕跡を探す。VIPERは、月の氷がどこから来たのか、そして岩石天体で氷が見つかる一般的な条件について、決定的な洞察をもたらす可能性がある。「私たちの理解は飛躍的に進歩するでしょう」と、VIPERのプロジェクト科学者であるコラプリート氏は述べた。

飲むための滴

科学的進歩は、別のプロジェクトによってもたらされるでしょう。もしPSRの地表またはその付近で氷にアクセスできれば、NASAは宇宙飛行士がそれを飲料水または燃料として利用できると期待しています。NASAは現在、2025年にアルテミス計画による初の有人着陸を計画しており、PSR付近に着陸することで、宇宙飛行士がこうしたアイデアの実現可能性を自ら確認できるようにしたいと考えています。

「これはアポロ計画ではありません。私たちは月に丸1ヶ月滞在する予定です」と、NASAの元主任科学者ジム・グリーン氏は述べた。「月面で物資を調達し、居住地を建設するという構想は実現可能です」と付け加えた。

コロラド鉱山大学の宇宙資源専門家、ケビン・キャノン氏によると、水氷の抽出と利用方法については、現在様々な提案が検討されているという。「掘削機、バックホー、掘削機といった機械システムを検討している」とキャノン氏は述べた。そして、採掘した月の土壌から水を抽出するために、太陽光を集光するか、オーブンを使用する。もう一つのアイデアは、「掘削の段階を省き、何らかのテントで地面を直接加熱する」ことだとキャノン氏は述べた。

月面に実際にアクセス可能な氷が存在するという確証は、来年初めまでに得られるかもしれません。永久影に覆われた月のクレーター内部からの最初の画像が公開されるからです。2023年末までには、氷がどのようにしてそこに形成されたのか、確かなことが分かるかもしれません。

「まだ理解できていない根本的なことが山ほどあります」とプレム氏は語った。「私たちはまさに始まりの段階にいるのです。」

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。