これらの月は暗くて凍っています。では、どうやって彼らは海を持つことができるのでしょうか?
木星と土星を周回する衛星には、地下に海があるようで、地球外の生命を探索する上で興味をそそる標的となる。しかし、そもそもなぜこれらの海が存在するのかは明らかではありません。
赤外線で見た土星の衛星エンケラドゥスの5枚の画像。その氷の殻の下には地球規模の海があります。月の南極の割れ目を通して宇宙に噴出している海で、右下で赤く色付けされています。
NASA/JPL-カリフォルニア工科大学/アリゾナ大学/LPG/CNRS/ナント大学/宇宙科学研究所
はじめに
人類の存在の大部分において、地球は海に覆われた唯一の既知の世界であり、他のどの宇宙の島とも異なっているように見えました。
しかし 1979 年、NASA の 2 機のボイジャー宇宙船が木星付近を飛行しました。その衛星エウロパは凍った領域であり、溝や亀裂で装飾されており、その表面の下に何かダイナミックなものがあるかもしれないことを示唆しています。
「ボイジャーの後、人々はエウロパが奇妙で、海があるのではないかと疑うようになりました」とカリフォルニア大学サンタクルーズ校の惑星科学者フランシス・ニモ氏は言う。
その後、1996 年に NASA のガリレオ宇宙船がエウロパ付近を通過し、内部から発生する奇妙な磁場を検出しました。カリフォルニア大学ロサンゼルス校の宇宙物理学者で、宇宙船の磁力計を担当していたマーガレット・キベルソン氏は、「それが何なのか理解できなかった」と語った。最終的に、彼女と彼女のチームは、月の中にある導電性の流体が木星の巨大な磁場に反応してけいれんしていることに気づきました。 「意味があった唯一のことは、氷の表面の下に溶けた液体の殻があるかどうかということだった。」
2004 年、NASA のカッシーニ宇宙船が土星に到着しました。土星の小さな衛星エンケラドゥスを観測したところ、月の南極にある広大な裂け目から波状の氷のプルームが噴出しているのを発見した。そして、カッシーニがこれらの噴出口を通って飛行したとき、その証拠は紛れもないものでした。これは、宇宙に勢いよく流れ出ている塩辛い海でした。
今、地球の海はもはや特別なものではありません。彼らはただ奇妙です。それらは私たちの惑星の太陽に照らされた表面に存在しますが、太陽系外縁の海は氷の下に隠され、暗闇に覆われています。そして、これらの地下の液体の海は、私たちの太陽系にとって例外ではなく、規則であるようです。エウロパとエンケラドゥスに加えて、氷で覆われた海を持つ他の衛星もほぼ確実に存在します。宇宙船団は今後 10 年間にわたってそれらを詳しく調査する予定です。
これらすべてが明らかな矛盾を引き起こします。これらの衛星は、太陽系の極寒の領域に何十億年も存在しており、その生成時の残留熱が大昔に宇宙に逃げるのに十分な長さです。地下海は今では固い氷になっているはずです。では、太陽の暖かさの遥か彼方を周回しているこれらの衛星は、どうして今日も海を持っているのでしょうか?
土星の小さな衛星エンケラドゥスは、その塩水を宇宙に噴出させています。 NASA のカッシーニ探査機によって観測されたこの噴煙は、その凶暴さで科学者たちを驚かせました。
NASA/JPL-カリフォルニア工科大学/SSI/CICLOPS/ケビン M. ギル
数十億年にわたって液体水の海洋を維持するには複数の方法がある可能性があることを示す証拠が増えています。それらのレシピを解読することで、宇宙全体で生命が出現するのがどれほど簡単であるか、それとも面倒であるかを判断する私たちの探求が加速する可能性があります。古い宇宙船から新たに分析されたデータに加え、NASA のジュノー宇宙船とジェームス ウェッブ宇宙望遠鏡による最近の観測により、これらの暖かい海には生物学に有益な化学物質が含まれており、生命が潜在的に故郷と呼べる場所は太陽系内部だけではないという証拠が増えています。
これらの海洋衛星は、さらに壮大な可能性ももたらします。温帯で潜在的に居住可能な海は、惑星形成の必然的な結果である可能性があります。惑星とその衛星がその星の核の火からどれだけ離れているかは問題ではないかもしれません。それが本当なら、私たちが地球外の生命を探すために探索できる風景の数はほぼ無限にあることになります。
「氷の月の下の海は奇妙でありそうもないように思えます」と、NASA ジェット推進研究所の宇宙生物学者で地球物理学者のスティーブン バンス氏は言います。
それでも、挑戦的に、これらの異質の海は液体のままです。
鏡に包まれた海
科学者たちは、木星と土星を周回する少数の衛星、さらには天王星や海王星の周りを回転する衛星も、海を抱えているのではないかと疑っている。巨大なガニメデとクレーターの跡のあるカリストは、エウロパのような弱い磁気信号を生成します。土星の霧に覆われたタイタンも、おそらく地下に液体の水の海があるでしょう。パデュー大学の惑星科学者マイク ソリ氏は、これらは「コミュニティのほとんどの科学者がかなり自信を持っている 5 つです」と述べています。
これまでのところ、海洋に関して絶対的な確実性があるのはエンケラドゥスだけです。 「それは当然のことです」とオックスフォード大学の惑星科学者カーリー・ハウエット氏は言います。
1980年代、一部の科学者はエンケラドゥスには噴煙があるのではないかと疑っていた。土星の E 環はとてもきれいで輝いていたので、おそらく衛星の 1 つから何かが宇宙に漏れ出て、常にそれを更新しているに違いありません。カッシーニが惑星を飾る魔法が実際に動いているのをついに目撃した後、科学者たちは、月の南極のプルームが月の殻の中の氷を太陽光によって蒸発させたものではないかと簡単に疑問を呈しました。これは、おそらく太陽光によって加熱されると沸騰して蒸発するドライアイスに似ています。
「しばらくの間、そもそも海が必要かどうかという議論がありました」とニモ氏は語った。 「本当に衝撃的だったのは、[カッシーニ]が噴煙の中を飛んで塩、つまり塩化ナトリウムを見つけたときです。あれは海です。」これらのプルームがより小さく、より孤立した海から噴出する可能性はまだありました。しかし、さらなるカッシーニの観測により、エンケラドゥスの殻が前後に非常に激しく揺れているため、地球の海によって月の深部内部から隔てられているに違いないことが明らかになりました。
ベルリン自由大学の惑星科学者フランク・ポストバーグ氏によると、プルームは水素や石英も排出しており、これは深海の熱水噴出孔活動の兆候だという。地球では、このような通気孔は、太陽光の届かないところに存在する生態系、つまりかつて科学者たちが光合成に依存した世界では存在できないと考えられていた生物群集に電力を供給するのに必要な熱と化学物質を生成します。
しかし、海洋全体を加熱するのに十分な強力な通気システムに電力を供給しているものは何でしょうか?別の月、これは燃えるような種類の月の 1 つですが、それらの手がかりが得られるでしょう。
永遠の地獄の潮流
1979 年 6 月、ボイジャー 2 号がエウロパに接近する 1 か月前、科学者たちは、ボイジャー 1 号がイオの上空に渦巻く巨大な傘の形をした噴煙、つまりいくつかの火山の噴火の痕跡を目撃したと発表しました。
この観察は不可解だったはずだ。火山活動には内部の熱源が必要であり、イオも他の氷の衛星と同様、単なる残り火であるはずだった。しかし、数か月前、独立した科学者チームは、イオが非常に活動的な火山世界である可能性があることを正確に予測していました。
今後の 2 つの宇宙ミッションでは、太陽系で地球外生命体を探すのに最適な場所の 1 つと考えられている木星の衛星エウロパを研究する予定です。この探査機は、月の表面と、その氷の地殻の下に隠れていると考えられている海の特徴を明らかにすることになります。
NASA/JPL-カリフォルニア工科大学/SETI 研究所
彼らは木星の最大の衛星の軌道ダンスに基づいて予測を立てました。イオが周回する 4 周ごとに、エウロパは 2 周、ガニメデは 1 周します。共鳴として知られるこの軌道構成により、イオが前後にぐらつき、その軌道が楕円形になります。イオが木星に近づくと、木星の重力がより強く引っ張られます。遠くにあると、木星の引っ張り力は弱くなります。この終わりのない重力の綱引きにより、イオの岩肌は 100 メートル上下に移動します。これは 30 階建てのビルと同じ高さです。これらは地球のような潮汐です。水ではなく、固い岩だけで発生します。
これらの潮汐により月内に摩擦が生じ、熱が発生します。そして、その潮汐加熱はイオの奥深くの岩石を溶かすほど強力です。 「イオ島には水の海はありませんが、おそらくマグマの海はあるでしょう」とニモ氏は言う。 (ガリレオはそこでも、地球規模の地下の溶岩貯留層によって生成される二次磁場を検出しました。)
エウロパでも潮汐加熱が発生します。しかし、これらの潮汐が海をどれだけ温めるかは、月のどこで起こるかによって決まります。言い換えれば、海を液体に保つためには、十分な熱が海に到達する必要があるということです。 「潮汐加熱は氷の殻そのもので起こっている可能性もあるし、その下の岩石のコアで起こっている可能性もある」とニモ氏は語った。科学者たちはどれが正しいのかを知りません。したがって、潮汐加熱がエウロパの液体内部にどの程度寄与しているのかを正確に言うことはできません。
エンケラドゥスもまた、ディオネと呼ばれる隣接する衛星との重力タンゴによって引き伸ばされたり、圧迫されたりしている。理論的には、これにより月の内部を暖める潮汐が生じる可能性がある。しかし、少なくとも紙の上では、ディオネとの共鳴によって引き起こされる潮流は、その海を説明するのに十分ではないようです。ソーリ氏は、この数字はまだ当てはまらず、生成される熱量は太陽系誕生以来数十億年間地球規模の海洋を維持するには十分ではないと述べた。おそらく、エウロパの場合と同様、潮汐がエンケラドゥスのどこで熱を生み出しているのか、科学者たちはよくわかっていません。
もう 1 つの混乱要因は、軌道が天文学的な時間にわたって固定されていないことです。惑星系が進化するにつれて衛星は移動し、「物体がさまざまな共鳴を行ったり来たりするにつれて、潮汐加熱がオンになったりオフになったりする可能性がある」と、英国オープン大学の惑星科学者デビッド・ロザリー氏は述べた。科学者たちは、これが元ダンスパートナーである可能性のある天王星の2つの衛星であるミランダとアリエルで起こったのではないかと疑っています。これらの衛星は、かつては地質学的に活動していたかのように見えますが、現在はおそらく核まで凍っています。
メリル・シャーマン/クアンタ・ マガジン;出典:NASA
同様に、エンケラドゥスは常にディオネをダンスパートナーとしていたわけではないかもしれません。おそらく、彼らの土星周回運動はより最近になって始まり、以前は固体だった月を温めたのかもしれません。しかし、そのシナリオは説明するのが面倒でもあります。 「海を凍らせて再溶解するよりも、周囲に海を維持して維持する方が簡単です」とソリ氏は語った。したがって、潮汐加熱がエンケラドゥスの海のもっぱらの原因であるとすれば、月は数十億年間にわたって波紋を広げてきたベテランダンサーということになります。
今のところ、この月の海について唯一確実なのは、それが存在するということです。それがどのようにして誕生し、どのようにして今日まで存在しているのかは、「本当に大きな未解決の問題の一つです」とソリ氏は語った。 「エンケラドゥスを理解するのは難しいです。」
放射性反逆者
幸いなことに、暖かい月のようなインテリアは潮汐だけに依存するわけではありません。
地球の内部熱の半分は誕生時にもたらされました。残りは放射性元素の崩壊に由来します。同様に、氷の月の岩石が豊富な深部には、相当量のウラン、トリウム、カリウムが含まれているはずです。放射性貯蔵物質は、安定した元素に崩壊して熱の放出を停止するまで、数十億年とは言わないまでも、数億年にわたって周囲を調理することができます。
より大きな衛星は、より豊富な放射性物質の貯蔵庫から始まったであろう。そしておそらくそれが彼らの海に必要なすべてです。 「ガニメデ、カリスト、タイタンのような大きな衛星の場合、放射性物質のせいで、それらはある種避けられないものです」とヴァンス氏は言う。冥王星には地下に海があると主張する科学者もいます。 3 つの衛星と同様、この準惑星は、放射性炉の宇宙への漏れを遅らせる十分に厚い地殻によって断熱されている可能性があります。
太陽系で最も多い火山体である木星の衛星イオは、氷の海洋世界が液体の内部をどのように維持しているのかを知る手がかりを提供します。
NASA/SwRI/MSS/テッド ストライク
しかし、エンケラドゥスのような小衛星の比較的小さな心臓には、何十億年も心臓を温かく保つのに十分な放射性物質が含まれていません。この難題に対する満足のいかない解決策の 1 つは、おそらくエンケラドゥスが幸運に恵まれただけだということです。放射能は海洋の過去の初期部分を説明でき、ディオネとのダンスはより最近のエピソードである可能性があります。おそらく、「私たちは今、放射性[加熱]が非常に低くなり、潮汐加熱が引き継ぐクロスオーバーの地点にいる」とポストバーグ氏は述べた。
もしそうなら、おそらくエンケラドゥスは宇宙の縮図、つまり潮汐加熱と放射能の偶然の組み合わせだろう。それは、海洋衛星がどこにでも存在する可能性があること、あるいは逆に、ほとんどどこにも存在しない可能性があることを意味します。
青春の海
あるいは、物議を醸しているが、エンケラドゥスは著しく若い可能性があると主張する科学者もいる。
カッシーニ探査機によって収集された一連のデータの中に、土星がその象徴的な輪を持って生まれなかったというヒントが隠されています。その代わりに、多くの科学者は現在、環がほんの数億年前に形成されたと確信しています。スーパーコンピューターを使って月と月の暴力をシミュレートした新しい研究は、剣竜が地球を歩き回っていた頃、2つの古代の衛星が衝突したときに土星の輪が形成されたことを示唆している。この衝突により、土星の軌道には大量の氷の破片が散らばりました。多くがリングを形成する一方で、他の衛星は既存の衛星を破壊し、新しい衛星を作成しました。そして、もし環が若いのであれば、エンケラドゥスや他の少数の衛星も若いかもしれません。
メリル・シャーマン/クアンタ・ マガジン;出典:NASA
カリフォルニア州マウンテンビューにある NASA エイムズ研究センターの研究員であり、最近の環形成研究の共著者であるジェイコブ ケゲライス氏は、「人々は衛星が若いということをよりオープンに考えるようになっているように感じます」と述べています。
この考えを裏付ける展開として、科学者たちは土星の衛星のいくつかがどれくらい古いのかを知らないことが判明しました。 「エンケラドゥスはほんの数億年か数千万年しか経っていない可能性があります」とロザリー氏は言う。もしそうなら、その熱狂的な誕生の熱がまだ若い海を液体のままにしている可能性があります。
しかし、若い月の話は確実とは程遠い。多くのクレーターで見られる膨大な数のクレーターは、衛星が太古の昔から太陽系のピンボールのような大混乱を経験するために存在してきたことを示唆している。 「数億年前に土星系で何か奇妙なことが起こったと私は考えています」とニモ氏は語った。 「しかし、私の推測では、すべての衛星は 45 億年前のものだと思います。」
衛星占い師
ガリレオとカッシーニのミッションがとうに終わったため、科学者たちは現在、2 つの宇宙船に期待を寄せています。1 つは最近打ち上げられた欧州宇宙機関の木星氷衛星探査機と、まだ打ち上げられていない NASA のヨーロッパ クリッパーです。どちらも次の 10 年の初めに木星に到着する予定です。
そして、私たちはエウロパに戻ります。この月は、地球の海が存在する宇宙の文脈を最初に再考することを強いられたのです。
NASA のエウロパ クリッパー宇宙船は、現在ジェット推進研究所で組み立てられており、2024 年にエウロパに向けて打ち上げられる予定です。
NASA/JPL-カリフォルニア工科大学
2024 年 10 月に飛行予定のクリッパー宇宙船の目標の 1 つは、（ミッションの目的リストの言葉を借りれば）エウロパの海が存在することを「確認する」ことです。 「その言葉については多くの議論がありました」とニモ氏は語った。クリッパーは海以外のものを見つけることができた。その代わりに、凍った海が雪解け水のポケットで満たされている可能性があります。あるいは「金の薄い層かもしれない」とニモ氏は冗談を言った。 「そこに海があるのは 99% 確実だと思います。」
クリッパーがエウロパの海の存在を確認したと仮定すると、月とその地下の海の特徴を明らかにする作業が開始されます。そのために、探査機はまず月の表面、そして科学者が運が良ければ下の海にどの分子があるかを解明することになる。クリッパーは月の近くを飛行する際、月の表面から漂っている微細な塵、氷、水蒸気を取り込みます。これらの粒子は、表面ダスト分析装置によって研究されます。粒子が金属板に衝突すると、粒子は蒸発して帯電し、装置が粒子の化学的正体を明らかにできるようになります。
期待は、噴煙がエウロパの海を宇宙に穏やかに放出し、クリッパーの探求がかなり容易になることだ。そのような注ぎ口は存在するかもしれませんが、エンケラドゥスのものとは異なります。それらはより断続的で、地理的に散発的なものになる可能性があります。あるいは、まったく存在しない可能性もあります。その場合、微小隕石の衝突によって氷の殻が削り取られ、海のスープソンが解放され、それがクリッパーに向かって飛散する可能性が期待されます。
そして、エウロパや他の衛星は、暖かく保つために、私たちが期待するほど異質ではない化学的トリックに依存していることが判明するかもしれません。冬には「融解温度を下げるために道路に塩をまいている」とソリさんは語った。おそらくエウロパの海は特に塩分が多く、凝固点が下がるのでしょう。しかし、他の化合物はより効果的な不凍液となるでしょう。「特にアンモニアです」とソーリ氏は言いました。アンモニアは蒸発する太陽のまぶしさから遠く離れた場所に多く存在します。
潮汐、放射能、化学、若さ:これらの成分を適切に混合すると、氷の衛星に海を生成し、維持することができます。 「これらすべてを考慮すると、どちらか一方ではないと思います」とハウエット氏は語った。各衛星の特定のレシピは異なる場合があります。海に満ちた氷の月を作る方法は何百通りもあるでしょう。
エウロパの秘密の海の発見は「人々の衛星に対する考え方を本当に変えた」とキヴェルソン氏は語った。そして、それは、地球外生命体がこれらの地球外の海に生息する可能性があり、おそらく宇宙における私たちの位置についての私たちの概念を永遠に変える発見をもたらすかどうかを決定するための科学を軌道に乗せました。
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