燃えるような世界の最近の飛行は、その内部構造に関する有力な理論を否定し、地質学的に活動的な衛星についてどれほど理解されていないかを明らかにしています。
NASA の探査機ジュノーが撮影したこの赤外線画像では、白熱した火山のあばた状のイオが写っています。
NASA/JPL-カリフォルニア工科大学/SwRI/ASI/INAF/JIRAM
スコット・ボルトンがイオと初めて出会ったのは、大学を卒業して NASA に就職した直後の 1980 年の夏でした。ボイジャー 1 号宇宙船はこの木星の衛星を通過し、地球以外の世界での活発な火山活動を初めて垣間見ました。傘の形をしたマグマ状の物質の爆発が、イオの表面全体から宇宙空間に打ち上げられました。 「それらは驚くほど美しく見えました」とボルトン氏は語った。彼は現在テキサス州のサウスウェスト研究所に拠点を置いている。 「まるで芸術家が描いたかのようでした。私たちの月と比べて、どれほどエキゾチックに見えるかに驚きました。」
それ以来、ボルトンのような科学者はイオの活発な火山活動を理解しようと努めてきました。有力な理論は、月の地殻のすぐ下には、液体岩石の広大な連続した貯蔵庫である地球規模のマグマオーシャンが隠されているというものです。この理論は、イオの火山がほぼ均一に分布していることを示す観測結果など、いくつかの観測結果ときちんと一致しています。これらの火山は、遍在する同じ地獄のような融解源を利用しているようです。
しかし今、イオの地獄は消え去ったようだ――というか、最初から存在しなかったのだ。 NASA の探査機ジュノーによる最近の火山月の接近中、科学者たちは探査機の最も小さなぐらつきを利用して月の質量分布とその内部構造を決定し、ジュノーに対するイオの重力の影響を測定しました。科学者たちはネイチャーに報告しました。 イオの地殻の真下では重要なものは何も揺れていません。
「浅い海は存在しません」とジュノーのミッションを率いるボルトン氏は言いました。
独立した科学者たちは、この研究に何の落ち度も見出せない。カリフォルニア工科大学の惑星科学者であるキャサリン・デ・クリア氏は、「結果と研究は完全に堅実で、かなり説得力があります」と述べています。
このデータは、他の岩だらけの世界にも波及する謎を再び明らかにしました。イオの火山活動は、潮汐加熱と呼ばれる重力によるメカニズムによって引き起こされ、岩石が溶けてマグマが地表から噴出します。イオはこのメカニズムの代表例ですが、潮汐加熱は、イオの隣にある氷の衛星エウロパを含む他の多くの世界も加熱します。そこでは、その熱が地下の塩水海を維持していると考えられています。 NASA は、提案されている地下海に生命の痕跡がないかエウロパの空を探索するために、50 億ドルをかけてクリッパー宇宙船を打ち上げました。
ボイジャー 1 号とガリレオのミッションからの画像を使用して作成されたイオの表面の地図は、月の火山が広範囲に分布していることを示しています。大きな赤いリングは、ペレ火山の噴煙からの硫黄の降下物です。
米国地質調査所
しかし、イオにマグマオーシャンがないとしたら、それはエウロパにとって何を意味するのでしょうか?そして科学者たちは現在、潮汐加熱はどのように機能するのか疑問に思っています。
溶けるマグマ
熱は地質学、つまり火山活動や大気化学から生物学に至るまで、あらゆるものがその上に築かれる岩石の基礎を動かします。熱は多くの場合、惑星の形成や放射性元素の崩壊によって発生します。しかし、月のような小さな天体には、そのような元素と残留熱の埋蔵量はほんのわずかしかなく、それらの埋蔵量が枯渇すると、地質活動は平坦になります。
少なくとも、そうなるはずです。しかし、地質学的に滅んだはずのずっと後、太陽系中の小さな球体に地質学的生命を与えるものがあるようです。
イオは、この不可解なクラブの最も派手なメンバーです。焦げたオレンジ色、深紅、黄褐色のジャクソン ポロックの絵です。溢れ出る溶岩の大釜の発見は、発見前からその存在が予測されていたため、惑星科学において最も有名な話の 1 つです。
NASA の探査機ボイジャー 1 号は 1979 年にイオを撮影し、地球外の火山活動を初めて明らかにしました。この写真モザイクでは、月最大の火山として現在知られているロキ パテラから噴出する溶岩噴出が見られます。
NASA/JPL/USGS
1979 年 3 月 2 日、サイエンスの論文 イオの奇妙な軌道を反芻した。隣接する衛星の位置と軌道により、イオの軌道は円形ではなく楕円形になります。そして、イオが木星に近づくと、木星が遠くにあるときよりも巨大ガス惑星からの強い引力を受けます。したがって、研究著者らは、木星の重力が絶えずイオをこね、その表面を最大100メートル上下に引っ張り、その内部で大量の摩擦熱を発生させているに違いないと考えた。このメカニズムを彼らは「潮汐加熱」と表現した。彼らは、イオは太陽系で最も激しく加熱された岩体である可能性があると推測しました。 「広範囲にわたる繰り返しの地表火山活動が起こると推測する人もいるかもしれない」と彼らは書いている。
わずか 3 日後、ボイジャー 1 号が飛行しました。 3月8日に撮影された画像には、その表面上にアーチを描く2つの巨大な噴煙が記録されていた。 NASAの科学者たちは、他の原因をすべて排除した後、ボイジャーは異世界の火山噴火を目撃したと結論づけた。彼らはその発見をサイエンスで報告しました。 その予言からわずか 3 か月後の 6 月のことです。
惑星科学コミュニティは、イオ内の潮汐加熱が地表の終わりのない火山活動の原因であるという考えを中心にすぐに団結しました。パデュー大学の惑星地球物理学者マイク・ソリ氏は、「何十年も未解決の疑問であった未知の部分は、それが内部構造にとって何を意味するかということだ」と語った。その潮汐加熱はイオ内のどこに集中しているのでしょうか?また、どのくらいの熱と融解が発生しているのでしょうか?
NASA のガリレオ宇宙船は、2000 年代の変わり目頃に木星とその衛星のいくつかを研究しました。その機器の 1 つは磁力計であり、イオから発せられる独特の磁場を検出しました。信号は導電性の流体から発信されているように見えました。実際には、大量の流体でした。
長年の研究を経て、科学者たちは2011年にガリレオがイオの地殻の直下に地球規模のマグマオーシャンを検出したと結論づけた。地球のマントルはほとんどが固体で可塑性であるのに対し、イオの地下は厚さ 50 キロメートル、つまり最深部の太平洋のほぼ 5 倍の厚さの液体岩石の海で満たされていると考えられていました。
同様の磁場はエウロパからも来ていました。この場合、広大な塩水の海によって発生したものと思われます。その影響は深刻でした。岩石が多いと、潮汐加熱によってマグマの海ができる可能性があります。氷がたくさんあれば、居住可能な液体の水の海を作り出すことができます。
火山消滅法
2016 年にジュノー宇宙船が木星の周りを飛び始めた頃までに、イオにはマグマ オーシャンがあるという考えが広まっていました。しかし、ボルトン氏と彼の同僚は再確認したいと考えていました。
2007 年に NASA の探査機ニュー ホライズンズによって 8 分間にわたって撮影された一連の画像には、トヴァシュタル パテラエ火山地域による噴火が写っています。この疑似カラー画像のプルームは、月の表面から 330 キロメートルの高さまで上昇しています。
NASA/ジョンズ・ホプキンス大学応用物理研究所/サウスウェスト研究所
2023年12月と2024年2月のフライバイ中、ジュノーはイオの焦げた地表から1,500キロメートル以内に接近した。活火山の驚くべき画像が皆の注目を集めましたが、これらの接近飛行の目的は、本当に月の岩肌の下にマグマの海があるかどうかを調べることでした。
調査のためにチームは、地球と通信して信号を送受信するジュノーの無線トランスポンダーという、ありそうもないツールを使用しました。イオの質量は不均一に分布しているため、その重力場は完全には対称ではありません。この不均一な重力場は、ジュノーが飛行するときに微妙に動きを変化させ、少し加速または減速させます。
つまり、ジュノーの無線送信ではドップラー効果が発生し、イオの不均一な重力場に応じて波長がわずかに変化します。ボルトンのチームは、トランスミッションの信じられないほど小さな変化を観察することで、イオの重力場の忠実度の高い画像を作成し、それを使用してその内部構造を決定することができました。 「もし本当に地球規模のマグマオーシャンがあったとしたら、イオが木星の周りを周回し、潮汐力によって変形して形状が変化するにつれて、さらに多くの歪みが見られるでしょう」と、NASA ジェット推進研究所の火山学者アシュリー デイビス氏は述べましたが、この新しい研究には関与していません。
しかし、ボルトン氏のチームはこのレベルの歪みを発見できなかった。彼らの結論は明らかでした。 「浅いマグマオーシャンが火山に燃料を供給するということはあり得ません」と、研究の共著者であり、ジェット推進研究所の Juno 共同研究員である Ryan Park 氏は述べています。
カッシーニ・ホイヘンス計画では、2001 年に木星を背景にイオを撮影しました。
NASA/JPL/アリゾナ大学
それでは、他にイオの火山に電力を供給しているものは何でしょうか?
地球上では、爆発的な噴火を引き起こすタール状の粘性物質から、一部の火山から噴出する粘液状の粘性物質に至るまで、さまざまな種類のマグマの個別の貯留層が地殻内のさまざまな深さに位置しており、これらはすべて、地殻プレート、つまり地球の表面を構成する動くジグソーパズルのピースの相互作用によって作成されます。イオにはプレートテクトニクスがなく、（おそらく）マグマの種類も多様ではないが、それでもその地殻にはマグマ溜まりが点在している可能性がある。これは、ガリレオのデータによってマグマ オーシャン理論の多くが確信されるまで、当初の考え方の 1 つでした。
新しい研究は、はるかに深いマグマ海の可能性を排除しません。しかし、その深層の埋蔵地は、（深さが深いため）非常に鉄分が豊富で密度の高いマグマで満たされている必要があるため、地表に移動してイオの火山活動を活発にするのは困難です。 「そして、ある程度の深さになると、いわゆる深いマグマの海と液体の核を区別するのが難しくなります」とパーク氏は言いました。
一部の人にとって、これは和解できない問題を引き起こします。ガリレオの磁力計は浅いマグマ海の兆候を検出しましたが、ジュノーの重力データはそれを否定しました。 「人々は磁力計の結果に実際に異議を唱えているわけではないので、それを他のすべてのことと適合させる必要があります」とブリガムヤング大学の惑星地質学者、ジャニ・ラデボーは言いました。
研究者たちは、ガリレオのデータの最善の解釈について意見が分かれています。カリフォルニア大学サンタクルーズ校の惑星科学者で、この新しい研究の共著者であるフランシス・ニモ氏は、磁気信号は「おそらくマグマオーシャンの最良の証拠とみなされていたが、実際にはそれほど強力ではなかった」と述べた。 誘導データでは、部分的に溶けた（しかしまだ固体である）内部と完全に溶けたマグマオーシャンを区別できなかった、と彼は言いました。
重水
おそらく科学者がイオを研究する主な理由は、それが潮汐加熱の基礎について教えてくれるからです。イオの潮汐加熱エンジンは依然として印象的であり、火山を養うマグマが大量に生成されていることは明らかです。しかし、もしそれが地下にマグマオーシャンを生成していないとしたら、潮汐加熱によって水の海も生成されないということになるでしょうか?
科学者たちは、それが可能であると確信し続けています。土星の衛星エンケラドゥスにも潮汐加熱があり、地下に塩水の海があることを疑う人はいません。カッシーニ探査機は、その存在の兆候を検出しただけでなく、月の南極から噴出するその一部を直接サンプリングしました。エウロパに海があるかどうかについては若干の懐疑論がありますが、ほとんどの科学者は海があると考えています。
2022 年にジュノー探査機によって撮影された、木星の氷の衛星エウロパの滑らかで軽く傷のある表面には、その下に何の痕跡もありません。おそらく、広大な塩水の海です。
NASA/JPL-カリフォルニア工科大学/SwRI/MSSS
重要なことは、海洋相当の流体が隠蔽されていることを示すように見えるイオの奇妙な磁場とは異なり、エウロパ自体のガリレオ時代の磁気信号は依然として強力であるということです。 「エウロパでは非常にきれいな結果だ」とジェット推進研究所のエウロパ・ミッションのプロジェクト・サイエンティスト、ロバート・パパラルド氏は語った。氷の月は木星やイオの強烈なプラズマに満ちた宇宙環境から十分に離れているため、エウロパ自身の磁気誘導信号が「非常に目立つ」のです。
しかし、両方の衛星が潮汐加熱されているのであれば、なぜエウロパだけが内海を持っているのでしょうか?ニンモ氏によると、「液体の水の海とマグマの海には根本的な違いがあります。マグマは逃げようとしますが、水は実際には逃げようとしません。」液体の岩石は固体の岩石よりも密度が低いため、急速に上昇して噴火しようとします。新しい研究は、巨大な相互接続された海を形成するほど長くイオ内部の深さに留まらないことを示唆している。しかし、液体の水は、異常なことに、固体の氷の形よりも密度が高いです。 「液体の水は重いので、海に集まります」とソリは言いました。
「これがこの新聞からの大きなメッセージだと思います」とソリ氏は付け加えた。潮汐加熱はマグマオーシャンを形成するのに苦労するかもしれない。しかし、氷の衛星では、氷の密度が異様に低いため、簡単に水の海ができてしまいます。そしてそれは、太陽系全体に生命の故郷と呼べる潜在的に居住可能な環境が多数存在することを示唆しています。
地獄の看板児
イオ島に浅いマグマの海がなくなっているという事実は、潮汐加熱についていかに知られていないかを浮き彫りにしている。 「イオの内部のどこでマントルが溶けているのか、そのマントルの溶け方がどのようにして地表に到達しているのか、私たちはまったく理解していません」とデ・クレーア氏は言う。
私たちの月にも、原始的な潮汐加熱の証拠が示されています。最古の結晶は 45 億 1,000 万年前、巨大衝突現象によって地球から吹き飛ばされた溶融物質の流れから形成されました。しかし、多くの月の結晶は、43億5,000万年前に溶融岩石の第2の貯留層から形成されたようです。その後のマグマはどこから来たのでしょうか?
Nimmo と共著者は、Nature に掲載された論文で 1 つのアイデアを提案しました。 12月：地球の月はイオに似ていたのかもしれない。当時、月は地球に大幅に近づき、地球と太陽からの重力場が制御を巡って争っていました。両方の重力の影響がほぼ等しい特定の閾値では、月は一時的に楕円軌道を採用し、地球の重力混練によって潮汐加熱された可能性があります。その内部が再溶解し、予想外の二次的な火山活動の隆起を引き起こした可能性があります。
しかし、月の内部のどこで潮汐による加熱が集中していたのか、したがってそのすべての融解がどこで起こっていたのかは、はっきりとはわかっていません。
おそらく、イオが理解できれば、私たちの月も同様に理解できるでしょう。また、隠された潮汐力エンジンを備えた太陽系の他のいくつかの衛星も同様です。今のところ、この火山球体は恐ろしいほど不可解なままだ。 「イオは複雑な野獣です」とデイビス氏は語った。 「観察すればするほど、データと分析がより洗練され、より不可解になっていきます。」
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