別の惑星の生命を検出したい場合は、バイオマーカー (生物の活動を示す化学物質の分光学的特徴) を探します。実際、私たちはすでにバイオマーカーを発見しているかもしれません。 2003 年、地球を拠点とする天文学者が火星の大気中のメタンを垣間見ました。この発見は当初、物議を醸したため、発見者自身がそれを公開することを控えました。しかし、私たち 2 人と同僚は最近、NASA のキュリオシティ ローバーを使用してメタンの存在を確認しました。これは、宇宙で私たちが孤独ではない可能性があることを示す、これまでに収集した中で最も具体的な証拠です。
メタンがどこから来るかに関係なく、興味深い発見です。メタンの分子を火星の大気中に落とした場合、それは約 300 年生き残ります。これは、平均して、太陽の紫外線やその他の火星のガスが分子を破壊するのにかかる時間です。当然のことながら、火星の大気は何十年も前にメタンを洗い流されているはずです。したがって、私たちが目にするメタンは、現在メタンを生成している発生源か、過去に生成されたメタンを排出している地下貯留層から来ているに違いありません。地球上では、メタンの 95% が生物起源です。メタン生成菌として知られる細菌のクラスは、有機物を食べてメタンを排出します。それらは地球の湿地に生息しており、地球の大気中に存在するメタンの約 4 分の 1 を占めています。牛の腸内細菌は 2 番目に大きな生産者です。火星でのメタンの探索を推進したのは、微生物の生命の可能性です。
しかし、そこのメタンが地質学的プロセスに由来するとしても、外見上は地質学的に死んだ世界のように見えるものへの深い敬意を私たちに与えるでしょう.メタンは、地球の地殻、特にロストシティとブラックスモーカーとして知られる海底の暖かくて熱い熱水噴出孔で広く見られる蛇紋岩化の地球化学的プロセスによって生成される可能性があります。このプロセスには、地熱源と液体の水が必要です。これらはたまたま、人生の 2 つの主要な要素でもあります。
謎は、私たちがメタンを見てはいけないときにメタンを見ているということだけではありません。それはまた、ある意味で、私たちがそれをあまりにも多く見ているということでもあります.火星のメタンの存在量は、場所と時間によって劇的に変化し、未知のソースだけでなく、未知のシンクも意味します。この変動は、2003 年の惑星科学部門の会議で NASA の天文学者 Michael Mumma によって報告された、ハワイとチリの望遠鏡による最初の検出で明らかでした。翌年、ローマの惑星間宇宙物理学研究所の Vittorio Formisano と彼のチーム (私たちの 1 人である Atreya を含む) は、欧州宇宙機関のマーズ エクスプレス オービターからの調査結果を発表しました。 Mumma のように、Formisano のチームはメタン存在量の変動を観察しましたが、Mars Express から測定された値は、世界平均で約 15 ppbv でした。比較すると、地球上のメタン存在量は 1875 ppbv です。 (ガス濃度は、通常、ガスの質量ではなく、ガスが占める体積によって測定されます。)
どちらの観測セットも、火星の大気から反射された太陽光に含まれるメタンの赤外線スペクトル フィンガープリントを求めていました。地上での望遠鏡による観測は、メタンを含む地球自身の大気を通して外を見ていたため、分析では火星と地球のメタン信号を分離する必要がありました。軌道データにはこの問題はありませんでしたが、同じ領域にスペクトル線が重なっている他のガスの存在など、独自の交絡要因がありました。両方のチームは非常に慎重でしたが、彼らの観察は今日まで物議を醸しています.
この問題を解決するために、NASA は 2004 年に、火星科学研究所のミッション (ローバー、キュリオシティを含む) の機器をメタンの問題に専念させることを決定しました。 NASA の Paul Mahaffy が率いるチームによって構築および運用された、火星でのサンプル分析 (SAM) 機器パッケージには、波長可変レーザー分光計 (TLS) が含まれていました。 TLS は、既知の温度と圧力の明確に定義された大気圧でメタンの現場測定を実行します。この装置はまず、火星の空気をコーヒー カップほどの大きさのセルに取り込みます。次に、ガスに赤外線レーザーを発射して、どれだけの光が吸収されるかを確認します。レーザーは波長をスキャンして、メタンやその他のガスの特徴的なフィンガープリントを探します。単独で、TLS はメタンを約 2 ppbv 以内で測定できます。さらに高い感度を達成するために、SAM は、主要な二酸化炭素ガスを洗い流す化合物に摂取ガスをゆっくりと流し、それによってメタン信号を濃縮し、測定の不確実性を約 0.1 ppbv に減らします。地球上では、1980 年代から TLS 技術が使用されており、オゾン ホール内の塩素貯留層、巻雲内の重水素と水素の比率、および多数の場所でのメタン測定値の最初の空中測定が行われました。
計測器には、エラーの潜在的な原因が 1 つあります。打ち上げ前の数週間、打ち上げ現場での組み立て試験や打ち上げ作業中に、宇宙船とその機器が地球の空気にさらされるのは普通のことです。私たちの場合、装置のフォアオプティクス チャンバー (レーザー ビームがサンプル チャンバーに入る前に通過する) は、地球のメタンを含む少量のフロリダの空気を取り入れました。火星で各測定を 3 回行うことで、この汚染を補正します。まず、サンプルチャンバーが真空になるように、火星の空気をすべて排出します。そうすれば、私たちが測定する唯一のメタンはフロリダの密航者になります。次に、火星の空気を入れて、再度測定します。最後に、再びサンプル チャンバーを空にして、もう一度測定します。このようにして、地球の汚染物質を分離して差し引くことができます。さらに、火星では何年にもわたって前視室からの漏れの兆候は見られませんでした。汚染物質の影響は一定であるため、観測された変動を説明することはできません.
私たちの機器は、2012 年 8 月にキュリオシティ ローバーが火星のゲイル クレーターに着陸したときにその作業を開始しました。バックグラウンド レベルは、火星の季節によって変動しました。これは、火星のメタン測定で再現性が示された初めての例です。このバックグラウンドのメタンは、火星に定期的に衝突する彗星や隕石に由来する可能性があります。あるいは、惑星間の塵の粒子が火星の表面に舞い降り、太陽の紫外線がメタンに分解する有機物質をもたらした可能性があります。季節的なパターンは、地表に到達する紫外線フラックスと相関しているようであり、火星の地表への有機物質の配送について多くのことを教えてくれます.
驚くべきことに、1 回の 2 か月間に、4 回の連続した観測で 7 ppbv のスパイクが報告されました。これらの値は、彗星、隕石、塵で説明するには高すぎました。それらは火星起源のものだったに違いありません。おそらく、着陸地点の北にある比較的小さく局地的な地下ソースからのげっぷです。火星の風がそのメタンを数か月かけて吹き飛ばし、信号が消えた理由を説明しています。あるいは、そのパルスは遠く離れたはるかに大きな発生源からのものである可能性があり、メタンを迅速に除去するには他の未知のメカニズムが必要になる.以前の噴煙の観測と同様に、Curiosity によって観測されたスパイクは、依然として謎めいた火星への興味をそそる手がかりです。
メタンのデータは、火星が実際に活発であり、過去または現在の微生物生命をかくまっている可能性があることを示しています。しかし、多くの謎が残っており、潜在的なバイオマーカーを見つけるには、常に細心の注意を払ったフォローアップ作業が必要であることを示しています.先月火星に到達した欧州宇宙機関の ExoMars Trace Gas Orbiter には、メタンを感知するための強力な機器が含まれており、真下または太陽の逆光で火星の端を監視しています。この 2 つの方法により、資源量が高度によってどのように変化し、地球全体に広がっているかを測定できます。 Curiosity は ExoMars を上から見下ろしながら地表付近の測定を続けているため、次の質問に答えることができます。そして、私たちの太陽系が火星の微生物と共有されているかどうかを理解し始めることができます.
Sushil K. Atreya は、ミシガン大学アナーバー校の教授であり、カリフォルニア州パサデナにあるジェット推進研究所の著名な客員科学者です。惑星大気の起源と進化の専門家である彼は、ボイジャー、ガリレオ、カッシーニ ホイヘンス、ビーナス エクスプレス、マーズ エクスプレス、マーズ サイエンス ラボラトリー、ジュノーのミッションに携わってきました。
クリストファー R. ウェブスターは、カリフォルニア州パサデナにあるジェット推進研究所のマイクロデバイス研究所所長です。彼は、気球、航空機、および宇宙船用の波長可変レーザー分光計の開発のパイオニアです。彼は、地球研究のために 500 機以上の航空機と 20 の高高度気球ミッションを率いており、火星探査機キュリオシティに彼の分光計を選択するに至りました。
この記事は最初に公開されました Nautilus Cosmos、2016 年 11 月
動画:伝説の映画編集者ウォルター マーチが、天王星の発見後に何が起こったのかを語ります。
