Volatiles in the solar systerm:
太陽系内の揮発性成分

　水を含む揮発性成分がどのように地球や火星などの惑星に供給されたかを知ることは惑星の進化や生命の誕生を 可能にした海や大気の起源を知る上で重要です。例えば杉田研究室での主要な研究テーマである 小惑星リュウグウ探査機はやぶさ２の画像解析は、揮発性成分を含む生命の原材料物質の起源と 進化の解明を科学的意義として掲げています。他にも月極域着陸探査で水を直接検知する機器の 開発も進めています。また、室内実験を用いてメタン大気の起源を明らかにする成果も挙げています。 このように杉田研究室では「惑星探査の機器開発・データ解析や室内実験を主な手法として太陽系の 揮発性成分を調べる」ことを一つの大きな研究テーマとしており、生命や太陽系の起源・進化の解明を目指しています。
　これまでの惑星探査や地上観測からも水や二酸化炭素を始めとする揮発性成分が他の天体にも豊富に含まれて いることが分かってきてきましたが、その形態や分布は様々です。

水 (H2O, -OH)

Fig.1 火星の北極の極冠: 白色の領域に水氷と二酸化炭素氷が存在している。(Image credit: NASA)

　地質的な証拠(Carr 2012)から数十億年前には火星にも厚い大気があったために液体の水が地下及び表層に存在し、 ハビタブルな環境であったことが示唆されています。今でも火星の極冠(Titus et al., 2003)、 彗星(Sunshine et al., 2006; Campins et al., 2010)や土星のリング(Nicholson et al., 2008) などでは氷として純粋な水が保持されていることが分かっています。またエンセラダスを始めとする氷衛星では 氷を主成分とする地殻の中に内部海が存在しており、岩石コアと内部海との境界で活発な熱水活動があることが 示唆されています(Hsu et al., 2015)。月の極域に純粋な氷があるか否かについてはこれまでのリモート センシングによる探査からは議論が続いています (e.g. Spudis et al., 2013; Campbell et al., 2006)。 このような地域に存在する揮発性成分の分布・形態を知ることは今後の有人探査に向けて重要であり、インドの Chandrayaan-2や日本のSELENE-Rを始めとする着陸探査計画によってこれらが明らかになることが期待されています。
　純粋な水ではなく岩石と結合した形(含水鉱物)での水は太陽系内に広く存在していることが確認されています。 例えば、地球上の隕石分析、はやぶさによるイトカワのサンプル分析 (Jin & Bose, 2019)、OSIRIS-RExによる ベンヌの観測(Hamilton et al., 2019)、DAWNによるベスタ(De Sanctis et al., 2012)・ セレス(Ammannito et al., 2016)の観測などから始原的な天体にも表面に含水鉱物が存在することが 分かってきています。これらは母天体で熱水活動があった証拠と考えられています。

Fig.2 月表面の氷分布: 過去のリモートセンシングにより検知された、氷が表面に露出している箇所(緑または青色の丸印)。背景の白黒マップは年間最高温度を示すカラーマップである。 左が北極、右が南極を表す。(Li et al., 2018より抜粋)

Fig.3 左：エウロパ、右：エンセラダスの画像: 一般に氷衛星と呼ばれる天体であり、表面に見えている白色の物質は水氷を主成分とする 様々な揮発性成分の氷でであると考えられている。このような氷主成分のマントルは海王星を含め、太陽系外縁の大きな天体で見られ、 有機物の存在も示唆されている。筋状の構造は潮汐加熱による変形の痕跡であると考えられている。(Image credit: NASA)

二酸化炭素 (CO2)

Fig.4 火星の北極極冠の二酸化炭素氷存在量の推定結果: カラーマップはモデルの中で推定された二酸化炭素氷が 存在している層厚を示す。(Phillips et al., 2011より抜粋)

　二酸化炭素は地球では海とともに長期的な気候の安定化をもたらす炭素循環を駆動する気体として知られており、生命の維持には不可欠です。 また地球の熱水系にも熱水反応によって生成される水素とともに二酸化炭素が多く含まれることが知られており、生命の誕生において重要な役割を 果たしている可能性があります(Martin et al., 2008)。この二酸化炭素は金星大気の主成分であり、暴走温室を作り出しています。 金星の二酸化炭素や硫黄はマントルオーバーターンに付随して断続的に大気中に供給されている可能性があります (Greenwood et al., 2018)。
　太陽系外側の低温環境下、また地中の高圧下では二酸化炭素が固体になったり、水氷に取り込まれてクラスレートになったりすることが知られています。 例えば海王星の衛星(Grundy et al., 2003)や火星の極冠 (Phillips et al., 2011)には水氷とともにこのような固体二酸化炭素の存在が 確認されています。またRosetta探査機による67P/Churyumov-Gerasimenko彗星の観測から、彗星にも二酸化炭素が豊富に存在していることが 分かっています(Roy et al., 2015)。


このように太陽系内に広く水や二酸化炭素が分布していることが近年分かってきましたが、この多くはリモートセンシングによる惑星表面の情報であり、 惑星の内部や同位体比に関する情報はまだ十分に得られていない場合が多いのが現状です。しかし、これらの情報は地球上の隕石サンプルや天体の 形成進化を理解する上で不可欠であり、今後のはやぶさ2 ・OSIRIS-Rexに代表されるサンプルリターンミッションやMMX・Mars2020・ Europa Landerに代表される着陸探査ミッションから得られることが期待されています。

文責: 湯本

Reference:
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