土星最大の衛星タイタンの景観は、見慣れた風景であると同時に奇妙でもある。地球と同様に、タイタンには川、湖、雲、そして降り注ぐ雨粒に加え、氷山と厚い大気が存在する。しかし、タイタンの化学循環は水ではなく、液体メタン、つまり炭素原子1個と水素原子4個からなる有機分子によって構成されている。研究者たちは、このメタンが渦巻く混合物と、窒素を多く含む衛星の大気、表層の氷、そしておそらく火山や隕石の衝突によるエネルギーが組み合わさることで、ある種の単純な生命体が誕生する完璧な条件が整えられたのではないかと考えている。だからこそ、タイタンは木星の氷の衛星エウロパと並んで、太陽系における生命の潜在的ホットスポットの一つとなっているのだ。
今後10年間で、これらの遠く離れた世界に向けていくつかの探査ミッションの打ち上げが準備されている。2022年にはヨーロッパの探査機がエウロパへ、2024年にはNASAの探査機エウロパ・クリッパーが、そして2027年にはNASAの革新的な探査機ドラゴンフライがタイタンへ向かう予定だ。
しかし、これらの宇宙船が出発する前に、科学者たちはこれらの衛星における惑星化学がどのように作用しているかを解明したいと考えています。現在、ある研究者が小さなガラスの円筒の中にタイタンの環境を再現し、衛星と同じ温度と圧力条件下で有機化合物を混合しました。南メソジスト大学の化学助教授で、今週アメリカ化学会で発表された研究の主任研究者であるトムチェ・ルンチェフスキ氏によると、地球では液体であるメタンやベンゼンなどの有機分子は、タイタンでは極寒のため、時には華氏マイナス290度まで下がるため、固体の氷の鉱物結晶になります。
一連の実験で、ルンチェフスキーは小さなガラス管を用意し、ポンプで空気を抜き、氷水を入れた。次に、窒素、メタン、その化学的親和体であるエタン、そしてその他の有機化合物を一つずつ加えた。そのたびにガラス管内の混合物の組成を変え、何が起こるかを観察した。次に、地球の大気圧の約1.45倍に相当する圧力を加え、極低温の空気で管を囲むことで温度を下げた。
「タイタンに投入するのと同じ方法で、一連の化学物質を投入します」とルンチェフスキ氏は語る。「まずガラス管を真空にして酸素をすべて除去し、次にタイタンの大気を模倣するためにメタンを投入します。そして、残りの有機分子を投入して、それらを研究します。」
その衛星の気圧と温度下で、タイタンに豊富に存在し、地球上の人間にとって有毒な2つの有機分子、アセトニトリルとプロピオニトリルが単結晶構造をとることを発見した。タイタンでは、これらの2つの分子は窒素とメタン、そして太陽エネルギー、土星の磁場、そして宇宙線によって形成される。アセトニトリルとプロピオニトリルは大気中で気体として存在し、その後凝縮してエアロゾルとなり、その後タイタンの表面に降り注ぎ、様々な形態の固体鉱物の塊となる。
化学にうんざりしているなら、それは理解できます。しかし、生物学、より正確には宇宙生物学、つまり他の惑星の生命科学に興味があるなら、化合物の形状と形態は非常に重要です。タイタンのような条件下で、この2つの化学物質が地球上で結晶状に結合したのは今回が初めてです。
もう一つの重要な発見は、結晶の外側の面にもわずかな電荷、つまり極性が表面に存在していることです。この表面電荷は水などの他の分子を引き寄せる可能性があり、これは炭素系生命の構成要素の形成に必要と考えられます。
この新たな実験は、タイタンに生命が存在することを証明するものではありませんが、NASAのドラゴンフライ探査機がタイタンに着陸する前であっても、研究者たちがその奇妙で極寒の表層環境について新たな発見をすることができることを意味します。「タイタンに生命が存在するか存在しないかは断言できませんが、生命が存在するための条件が整っていることは確実に言えます」とルンチェフスキ氏は言います。「タイタンは、地球に最も近い天体であり、地球上の生命と同様に認識できる生命を宿すことができるのです。」
実験はSMUの彼の研究室で行われ、サンプルはアルゴンヌ国立研究所、米国立標準技術研究所、ニューヨーク大学にも送られ、同僚による追加検査が行われた。ルンチェフスキー氏は今週のACS会議で研究結果を発表し、実験に基づく研究論文を提出する予定だ。NASAジェット推進研究所のルンチェフスキー氏と同僚は、6月に学術誌「Accounts of Chemical Research」に掲載されたレビュー論文の中で、この新しい分野を「クライオ鉱物学（cryomineralogy）」、つまり他の惑星に存在する氷鉱物の研究分野と呼んでいる。
彼は、今回の最新の実験や同僚による他の実験は生命の創造を試みているのではなく、生命の起源となる可能性のあるレシピの一つを解明しようとしているだけだと慎重に述べている。「タイタンの基礎的なことは何も分かっていないのに、タイタンの鉱物を使って生命を再現できるなどと想定することすらできないのです」と彼は言う。
タイタンの有機化学に関するこの最近の研究の着想の多くは、2005年にタイタンに打ち上げられたカッシーニ・ホイヘンス計画で得られたデータから得られました。NASAのカッシーニ宇宙船は、重さ700ポンド（約320kg）のホイヘンス探査機を大気圏に放出しました。ホイヘンスは降下中に6つの機器から地球に情報を送信し、その後、バッテリーが切れるまでに3時間にわたり地表データを収集しました。
ルンチェフスキー氏と共に研究を行ってきたJPLの主任科学者、モーガン・ケーブル氏は、最新の実験によって鉱物と化合物の化学データベースが作成されており、2034年にドラゴンフライが月に到着した際に参照できると述べています。「まずは単純な混合物の基礎を築き、何が起こるかを確認する必要があります」とケーブル氏は言います。「その後、より珍しい混合物の探査に着手できます。新しい氷鉱物を発見するたびに、地表に存在する可能性のある物質の多様性の深さと幅に関する知識が飛躍的に増加しています。」
イラスト: NASA
NASAゴダード宇宙飛行センターとジョンズ・ホプキンス大学応用物理学研究所のエンジニアと科学者たちは、これらの実験やその他の実験から得られた情報を活用し、ドラゴンフライと、それに搭載されるデジタル化学教科書の設計・構築に取り組んでいると、NASAゴダード宇宙飛行センターの同ミッション副主任研究員メリッサ・トレーナー氏は述べている。ドラゴンフライは、タイタンの表面に着陸後、数年間にわたり各地を飛行し、環境条件に関する情報を収集して地球に送信する、ユニークな飛行ローバー（NASAは「回転翼航空機着陸機」と呼んでいる）である。
ドラゴンフライは、基本的にはヘリコプターのスキッド上に構築された惑星探査車です。NASAのウェブサイトによると、ドラゴンフライは、化合物を特定するための質量分析計、地表を分析するためのガンマ線・中性子分光計、そしてタイタンの地表下で発生する地震を検知するための地震計を搭載する予定です。
イラスト: NASA
タイタンの大気は地球の4倍も厚いため、ローターが十分な揚力を生み出し、探査機が飛行するのを容易にします。（そして、今年初めにNASAのエンジニアたちが地球よりもはるかに薄い大気の中でインジェニュイティ回転翼機を飛行させた火星探査よりもはるかに簡単です。）ドラゴンフライは、搭載するすべての探査機をタイタン上空に飛ばし、現在または過去の生命の痕跡を探すことができます。
タイタンにおける結晶形成に関する今日の有機化学実験は、「これらの結晶が形成される可能性のある条件下で、表面のどこで結晶が見つかるか、どのような特性を持つか、そして着陸したり車で突っ込んだりした場合にどのように認識できるかを予測するのに役立ちます」とトレーナー氏は言う。「これらは、各着陸で発見されるものを解釈するのに役立つ重要なデータセットです。」
WIREDのその他の素晴らしい記事
- 📩 テクノロジー、科学などの最新情報: ニュースレターを購読しましょう!
- ハリネズミのインスタグラムのダークサイド：羽根ペンのように見える
- ロボットが溢れる農業の未来は悪夢か、それともユートピアか?
- 自動的に消えるメッセージを送信する方法
- ディープフェイクがビジネスに活用される
- カーゴパンツを復活させる時が来た
- 👁️ 新しいデータベースで、これまでにないAIを探索しましょう
- 🎮 WIRED Games: 最新のヒントやレビューなどを入手
- 🏃🏽♀️ 健康になるための最高のツールをお探しですか？ギアチームが選んだ最高のフィットネストラッカー、ランニングギア（シューズとソックスを含む）、最高のヘッドフォンをご覧ください
