2009 年 10 月 9 日、2 トンのロケットが時速 9,000 キロメートルで月に衝突しました。塵のシャワーの中で爆発し、月面を数百度に加熱したとき、それが急降下したカベウスと呼ばれる漆黒のクレーターは、数十億年ぶりに短時間光で満たされた.
墜落は偶然ではありませんでした。 NASA の月面クレーター観測およびセンシング衛星 (LCROSS) ミッションは、衝突によって月の影から何が蹴り上げられるかを確認することを目的としていました。 NASA のルナー リコネサンス オービターが遠くから観察している間、ロケットを追跡する宇宙船がダストプルームの中を飛行してサンプルを採取しました。実験の結果は驚くべきものでした。科学者たちは、155 キログラムの水蒸気が粉塵プルームに混入し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ました。 LCROSS の主任研究員である NASA のエイムズ研究センターのアンソニー・コラプリテは、「それは完全に決定的なものでした」と述べています。
月は明らかな水の貯水池ではありません。アリゾナ州立大学の惑星科学者であるマーク・ロビンソンは、「考えてみると本当に奇妙です。大気の欠如と極端な温度により、水はほぼ瞬時に蒸発します。しかし、約 25 年前、探査機は月の両極の周囲に水素の痕跡を検出し始め、水が氷としてそこに閉じ込められている可能性を示唆しました。 LCROSSはこの理論を証明しました。科学者たちは現在、月にはほんの少しの水の氷があるだけではないと考えています。 6 兆キログラムあります。
この氷の大部分は、月の極にある永久影領域 (PSR) と呼ばれる独特の特徴に存在します。これらは、月の軌道の形状のために、太陽が到達できないカベウスのようなクレーターです。ドイツのマックス・プランク太陽系研究所の惑星科学者であるバレンティン・ビッケルは、「彼らは永遠の暗闇の中にいます。」と述べています。
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。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であるパーバシー・プレムは、「一部の PSR は冥王星の表面よりも低温です。これは、PSR の月面上または下の氷が必ずしも溶けないことを意味します。代わりに、何十億年もそこで生き残った可能性があります。氷の化学組成を研究することで、氷がどのようにして月に運ばれたかが明らかになり、地球上の水の起源、または実際に星の周りの岩石の世界が明らかになるはずです。また、将来の月面での人類の活動のリソースになる可能性もあります。
これまでの研究は、せいぜい興味をそそる一瞥を提供しています。しかし、それは変わろうとしています。来年、ロボット車両が初めて PSR の当惑させるような氷の深さに入り、これらの影に覆われたクレーターの内部がどのように見えるかを明らかにします。 10 年の終わりまでに、NASA は人間を派遣して直接調査することを計画しています。
月面着陸のこの新しい時代の前夜に、PSR に関する多数の新たな研究により、これらの影に覆われた領域は科学者が想像していたよりもさらに奇妙であることが明らかになりました。影に潜んでいるものは何ですか?
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は、「私たちが何を見るのかわかりません。 「それは最高です。」
水、水、どこでも
PSR に関する憶測は、アメリカの化学者ハロルド・ユーリーが初めて月に存在するという仮説を立てた 1952 年にさかのぼります。 「その極の近くには、太陽が決して当たらないくぼみがあるかもしれません」と彼は書いています。彼は、地球が自転軸を 23.5 度傾けて太陽の周りを公転しているのに対し、月はわずか 1.5 度の傾きで公転していることを発見しました。これは、太陽の光線が極にほぼ水平に当たることを意味し、極のクレーターの縁が光が直接その深さに到達するのを防ぎます。しかし、Urey は、これらの太陽のない場所の氷は、月に大気がないために「急速に失われる」と信じていました。
その後、1961 年に、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、氷が PSR 内に存在し続ける可能性があると理論付けました。月の夜の気温は、摂氏マイナス 150 度まで下がることが知られていました。ワトソンと 2 人の同僚は、これは、宇宙にさらされているにもかかわらず、氷が最も寒い場所に閉じ込められることを意味すると主張しました。 「月の恒久的に日陰になっている領域には、検出可能な量の氷がまだ存在するはずです」と彼らは書いています。
科学者たちは、レーダー装置が水星の極に氷の兆候を検出した 1990 年代初頭まで、PSR に氷が存在する可能性について議論していました。 1994 年、NASA のクレメンタイン宇宙船に搭載されたレーダー装置を使用して、科学者は月の南極上で水の氷の存在と一致する強化された信号を検出しました。狩りが始まりました。
1999 年、コーネル大学の Jean-Luc Margot とその同僚は、氷を含む可能性のある月面の PSR を特定しました。彼らは、カリフォルニア州のモハベ砂漠でレーダー ディッシュを使用して、月極の地形図を作成しました。 「太陽光の方向をシミュレートし、地形図を使用して、永久に陰になっている地域を特定しました」と Margot 氏は言います。
彼らはほんの一握りの PSR を見つけましたが、その後の研究で何千もの PSR が特定されました。グランド キャニオンの 2 倍の深さの月の南極にあるシャクルトン クレーターなど、巨大なクレーターの内部で幅が数十キロメートルに及ぶ最大のもの。最小スパンはわずか数センチ。 3 月にヒューストンで開催された月と惑星科学会議で、NASA のゴダード宇宙飛行センターの惑星科学者である Caitlin Ahrens は、月の温度が変動すると、一部の PSR がわずかに成長したり収縮したりする可能性があることを示唆する研究を発表しました。 「これらは非常にダイナミックな寒冷地です」とアーレンスはインタビューで語った。 「彼らは停滞していません。」
アリゾナ大学の大学院生であるパトリック・オブライエン氏は、ヒューストンでこのアイデアの証拠を提示した、新しい研究は、一部のクレーターには二重の影の領域、または「影の中の影」も含まれていることを示しています。 PSR は直射日光を浴びることはありませんが、ほとんどの場合、クレーターの縁から跳ね返る反射光を受け、氷が溶ける可能性があります。二重の影の領域は、反射光を取得しない PSR 内の二次クレーターです。 「気温は、恒久的な影よりもさらに低くなる可能性があります」とオブライエンは言いました。摂氏マイナス 250 度にも達します。
氷の秘密
二重の陰になっている地域は、二酸化炭素や窒素などのよりエキゾチックな氷が存在する場合に凍結するのに十分な寒さです。科学者たちは、これらと PSR 内の水の氷の化学組成から、水がどのようにして月に到達したか、さらに重要なことに、地球や岩石の世界全般に到達したかを明らかにできると述べています。コロラド大学ボルダー校の惑星科学者であるマーガレット・ランディスは、「私たちが知っているように、水は生命にとって不可欠です。問題は、「地球上の生命にとって好ましい条件が、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混乱してきましたが、月は太陽系の歴史の博物館です。その氷は到着以来、ほとんど手付かずのままであると考えられています.
水がどのようにして月に到達したかについては、主に 3 つの理論があります。 1つ目は、小惑星や彗星の衝突によって到着したことです。このシナリオでは、太陽系が形成されたとき、高温の内部太陽系内の水分子が蒸発し、太陽風によって吹き飛ばされました。極寒の郊外の水だけが凝縮して氷のような体に蓄積することができました.これらの天体はその後、月を含む太陽系内部に衝突し、水を供給した。 2つめの説は、月の中期に火山噴火が起こり、薄い一時的な月の大気が形成され、極に氷が形成されたというものです。または、太陽風が水素を月に運び、それが酸素と混ざって氷を形成した可能性もあります。
2 月、Nature Communications に掲載された LCROSS プルームの再分析 は、カベウス クレーターの氷が彗星起源である可能性が最も高いことを示しました。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・マントと同僚は、水とともに氷に凍った窒素、硫黄、炭素の量を分析し、「最良の説明は彗星である」ことを発見したとマントは言いました。 「窒素と炭素の比率は、火山がもたらした妥当な値をはるかに超えていました。」
月の氷がもっぱら彗星によって運ばれたとしたら、同じことが地球にも当てはまったかもしれません。これは、生命が繁栄するために必要な水を蓄積するために、岩石の世界がそのような衝撃を経験しなければならないことを意味する可能性があります.しかしランディス氏は、マント氏の研究が月のすべての氷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ます。 「コミュニティはそれを消化するのにもっと時間が必要です」と彼女は言いました.
月の氷の一部が火山起源であると判断された場合、これは、世界が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保持していることを示唆しています。 「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が、岩石惑星を形成する太陽系には、[火山の]噴火によって水が湧き出る能力があるかもしれません。」
PSR でエキゾチックな氷を探す以外に、科学者は水氷の水素のより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。実質的な重水素は、彗星に見られるものとより一致していますが (割合は異なります)、太陽風を示すものはほとんどありません。火山の起源は、その中間のどこかにあるでしょう。他の要素も参考になります。たとえば、火山に由来する氷には、月の内部から引き出された豊富な硫黄が含まれているはずだと、コロラド大学ボルダー校の惑星科学者であるポール・ヘインは述べています。
深淵へ
月へのこれまでの進出で、その恒久的な影に足を踏み入れたことはありません。アポロの着陸は、PSR の知識が初期段階にあったときに、月の赤道近くで行われました。 2019 年、中国の嫦娥 4 号着陸船とローバーが南極に着陸しましたが、PSR を標的にしませんでした。
しかし、2017 年にトランプ大統領は、後にアルテミスと名付けられたイニシアチブである、人類を月に帰還させるという NASA への指令に署名しました。 2020 年代半ばの最初の有人アルテミス着陸に先立ち、これには月の永久に影に覆われたクレーターへの最初の出撃が含まれる可能性があります。NASA は最初のロボット探査を行うために民間企業に支払いを行っています。
ヒューストンに本拠を置く Intuitive Machines は、これらの企業の中で最初に PSR を調査しますが、簡単ではあります。今年の終わりまでに SpaceX ロケットで打ち上げられる予定の彼らの Nova-C 着陸船は、その後の有人探査のターゲットとなる可能性のあるシャクルトン クレーター近くの尾根に着陸する予定です。その後、着陸船は、マイクロノバ ホッパーと呼ばれるスーツケース サイズのビークルを展開します。 Intuitive Machines は、月惑星科学会議でエクスカーションの詳細を明らかにしました。ホッパーはスラスターを使用して月面を一度に最大数百メートルジャンプします。 3ホップで、PSRを含む幅100メートルのマーストンクレーターの端に到達します。その後、ホッパーはマーストンの上空で発砲し、真っ暗な深みへと降下します。
着陸船にはカメラとライトが付いていますが、何が見えるかは不明です。ミッションの主任科学者であるロビンソン氏によると、表面に氷のシートが存在する可能性はあるが、月面の土に混ざった氷の結晶が車両のライトを反射する可能性の方が高いという。または、表面に氷がほとんどない場合、画像にまったく表示されない可能性があります.いずれにせよ、ビューは歴史的なものになります。
ホッパーのマーストンへの浸入は 45 分以内であり、科学的な結果は限定的です。主な目標は、ホッピング アプローチが機能することを実証することです。しかし、月の深淵へのより完全なダイビングを待つ時間はあまりありません.
ドリルダウン
この夏、NASA の新しいスペース ローンチ システム ロケット (アルテミス ミッションを月に推進する) の初の打ち上げにより、月軌道から PSR を研究するいくつかの小型宇宙船が運ばれます。一方、8 月に打ち上げられる韓国のオービターは、PSR を撮像するように設計された NASA 専用の装置である ShadowCam を搭載します。
ただし、ロボット PSR 探査の決定的な瞬間は、2023 年後半に、VIPER (Volatiles Investigating Polar Exploration Rover) と呼ばれるゴルフ カート サイズのローバーが、SpaceX Falcon Heavy ロケットで月に向かうときです。着陸車両を出ると、VIPER は月の永久に影に覆われた 3 つの領域に乗り込み、地面に穴を開けます。
太陽電池を再充電するために出る前に、一度に最大 10 時間動作し、ローバーは 1 メートルの深さまで地下の氷を掘削したり、地表に露出した氷を掘ったりします。ドリルを設計したコロラド州の Honeybee Robotics の Kris Zacny 氏は、「氷のブロックがあるかどうかはすぐにわかります。通過するのが非常に難しいためです」と述べています。チームは、最大 50 回のドリル セッションを実行する予定です。
VIPER は、これらの地域に関する私たちの知識に「革命を起こす」でしょう、と Landis 氏は言います。分光計を使用して見つかった氷を分析し、重水素と水素の比率を明らかにし、二酸化炭素または窒素のヒントを探します。 VIPER は、月の氷がどこから来ているのか、岩体に氷が見られる一般的な条件について、決定的な洞察を提供する可能性があります。 「私たちの理解は飛躍的な進歩を遂げるでしょう」と VIPER のプロジェクト サイエンティストである Colaprete 氏は述べています。
ドロップ トゥ ドリンク
科学の進歩は、別のプロジェクトの結果としてもたらされるでしょう。 PSR の表面またはその近くで氷にアクセスできる場合、NASA は宇宙飛行士がそれを飲料水または燃料として使用できることを望んでいます。 NASA は現在、2025 年に最初の有人アルテミス着陸を計画しており、PSR の近くに着陸して、宇宙飛行士がそのようなアイデアがどれほど実行可能かを自分で確認できるようにしています。
「これはアポロ計画ではありません。 NASAの元主任科学者であるジム・グリーンは、次のように述べています。彼は、「材料を取得し、月に生息地を持つという概念は実行可能です。」
コロラド スクール オブ マインズの宇宙資源の専門家であるケビン キャノン氏は、水の氷を抽出して利用する方法についてさまざまな提案が進められていると述べています。 「人々は掘削機、バックホー、掘削機などの機械システムに注目しています」と彼は言いました。採掘された月の土から水を抽出するために、集中した日光またはオーブンが使用されます。もう 1 つのアイデアは、「掘削のステップを飛ばして、ある種のテントで地面を直接加熱することです」とキャノンは言いました。
月にアクセス可能な氷が実際にあるという確認は、来年の初めまでに来る可能性があり、永久に陰になっている月のクレーターの内部からの最初の画像が得られる可能性があります。 2023 年末までには、それがどのように実現したかが確実にわかるかもしれません。
「私たちがまだ理解していない基本的なことがたくさんあります」と Prem は言いました。 「私たちはまだ始まったばかりです。」
