火星の衛星と、地球の水はどこからやってきたのか?

宇宙航空研究開発機構(JAXA)とフランス国立宇宙研究センター(CNES)は4月10日、JAXAが2024年9月に打ち上げを計画している「火星衛星サンプル・リターン・ミッション」(MMX)の、検討に関する協力の実施取り決め(Implementing Arrangement)を締結した。

署名式のレポートはコチラ

MMXは現在、JAXAが開発・研究を続けている探査機で、2024年に打ち上げ、火星の衛星である「フォボス」、もしくは「ダイモス」のどちらかに着陸し、砂や石などのサンプルを採取。2029年に地球に持ち帰ることを目指している。成功すれば、火星の衛星が生まれた謎と、かつての地球や火星に、本来存在できないはずの水がもたらされた謎を、一気に決着させることができると考えられている。

今回の共同検討の実施取り決めにより、MMXにフランスが提供する世界一の性能をもつ観測機器や、小型の着陸機を搭載したり、火星やその衛星付近を航行するための難しい技術の提供を受けたりできる可能性が出てきた。実現すれば、MMXの探査によって得られる成果がより大きくなり、そして探査の成功をより確実なものにすることが期待できる。

日本とフランス、米国などと協力し、世界初にして世界一の成果を目指し、火星の衛星へ赴くMMX。その意義や目指す成果、探査機の姿かたちを紹介する。

火星の衛星はどうやってできたのか?

地球のおとなり、太陽から4番目に離れた惑星の「火星」。その表面は酸化鉄、いわゆる錆びた鉄で覆われ、赤茶けた世界が広がっている。かつての人類は、その赤く妖しく光る姿を見て、災いや不吉なことの前兆と考えることもあったという。また地球と火星の軌道の違いから、数年ごとに両者は近づいたり遠ざかったりしており、たびたび「大接近」という言葉と共に、今も世間を賑わせる。

その火星には、「フォボス」と「ダイモス」という、2つの天然の衛星がある。この2つの火星の月は、1877年に米国の天文学者アサフ・ホールによって発見された。フォボスのほうがダイモスよりやや大きく、また火星に近い軌道を回っている。

ただ、火星の月とはいっても、地球の月とは姿かたちは大きく異なっている。たとえば地球の月は直径3474kmの球、つまり"まんまるお月さん"なのに対し、フォボスは直径23kmほどしかなく、その形もじゃがいものようである。ダイモスも直径12kmほどで、形もやはりじゃがいもっぽく、とても地球の月とは似ても似つかない。

この小さくいびつな天体が、なぜ、どのようにして火星の衛星になったのか、その起源はまだわかっていない(ちなみに地球の月の起源もわかっていない)。ただ、大きく2つの仮説が唱えられている。

その2つの仮説のうちのひとつは「捕獲小惑星説」である。フォボスとダイモスが「小さなじゃがいものような天体」というところで、小惑星に似ていると思った方も多いかもしれないが、まさにこの仮説は、もともと別のところにあった小惑星が、軌道が変わるなどして火星の近くまで飛来し、ちょうど火星の重力につかまって衛星になったという説である。

もうひとつの仮説は「巨大衝突説」である。かつて火星に小惑星が衝突するなどして、その破片が火星の軌道に散乱。それらが長い年月をかけてふたたび集まって、今のフォボスやダイモスを形作った、という説である。

この2つの仮説をめぐっては今も研究が続けられており、どちらの説もありうるとして、今のところまだ結論は出ていない。

地球、そして火星の水はどこからやってきたのか?

火星の衛星はもう1つ、地球と火星の水の起源を解き明かす鍵も握っていると考えられている。

私たちの住む地球の原型である「原始地球」は、今から約46億年前、太陽系が生まれたころに形作られたと考えられている。しかし、地球は太陽に比較的近く、温度が高くなるため、水や有機物はガスになって揮発してしまい、カラカラに乾いた状態になるはずであり、実際に原始地球も、ある時期まではカラカラに乾いた星だったと考えられている。だが、現在も地球には海も大気もあり、そして生物もいる。つまり地球の進化の歴史のどこかで、"外"から、水と有機物を運んできた"何か"があると考えられる。

同じことは火星にもいえる。現在の火星は、地下には水があるという見方が強くなっているものの、少なくとも地球のような海も川もない、一見すると不毛の大地である。しかし、これまでの探査で、川の流れていた跡のような、水の存在を示す痕跡がいくつも見つかっており、過去の火星には地球のように海も川もあり、豊富な大気もあったと考えられている。

だが、原始火星も、原始地球と同じく太陽に比較的近いので、何もなければカラカラに乾いた状態になったと考えられており、地球と同じく、何らかの方法で水がもたらされ、一度は地球のような海や川のある星になり、さらにその後また何かが起き、現在の赤茶けた不毛の大地になった、と考えられる。

では、いったいどのように地球や火星に水がもたらされたのだろうか。

地球や火星とは反対に、太陽系の中でカラカラに乾かない、つまり水が氷や、あるいは水と岩石がくっついた含水鉱物という姿で存在するためには、太陽から十分に離れている必要がある。実際に、火星より太陽から離れた小惑星帯や、木星や土星がもつ衛星、さらに遠くの冥王星などには、水がそのような形で残っていることがわかっている。

このように、地球や火星のように水が揮発してしまう場所と、小惑星帯以遠の、水が残り続けることができる場所の境界のことを「スノー・ライン」と呼ぶ。

ここで1つの推測ができる。地球や火星のようなスノー・ラインの内側にある天体では、本来なら水は存在できない。しかし実際、水はある。そしてスノー・ラインの外側には、水は何らかの形で存在しうる。ということは、スノー・ラインの外側から水や有機物を含んだ小惑星や彗星などの小さな天体が飛んできて、火星や地球にぶつかるなどして、水をもたらしたのではないか、というものである。

けれども、本当にそんなことが起きたのか、あるいは起こりうるのだろうか。実は、その手がかりが火星の衛星に眠っている可能性がある。

前述のように、火星の衛星の起源は大きく2つの説が唱えられているが、どちらも小惑星が関わっていることには違いはない。そしてその小惑星が、地球や火星に水をもたらした、かつてスノー・ラインの外側から飛んできた小惑星の仲間だとしたら、フォボスとダイモスこそが水を運んでいた張本人の一人であり、なおかつ当時の痕跡を残したタイムカプセルでもある、ということになる。

火星の衛星と、地球や火星の環境のなりたちの謎に決着を

MMXは、フォボスとダイモスのどちらかから石や砂といった試料(サンプル)を採取し、地球に持ち帰ることを目指している。

そのサンプルを地球の分析装置で詳しく調べ、もしその土の中に火星の成分が見当たらなければ、火星とその衛星とはもともと一切関係なく、小惑星が偶然やってきて衛星になったという「捕獲小惑星説」の証拠になる。あるいはもし、火星由来の岩石と小惑星由来の岩石とが混ざり合っていれば、小惑星が火星に衝突した破片からできたということになるので、「巨大衝突説」の証拠になる。

さらに、起源がどちらにせよ、得られたサンプルの小惑星由来の物質の中に、氷や含水鉱物が見つかれば、その小惑星は過去に、スノー・ラインの外側からやってきたものと見なすことができる。つまり、スノー・ラインより内側のカラカラだった惑星に、その外側から水を含んだ小惑星がやってきて、恵みの雨となったという、ちょっと信じがたいようなダイナミックな出来事が、実際に起きうることを示す証拠にもなる。

MMXのミッションが成功すれば、この「火星の衛星の起源」と、「地球、火星の水はどのようにもたらされたのか」という、2つの大きな謎に終止符を打つことができるかもしれない。それは私たちのような生命の起源にもかかわる。

さらに、水がどのようにもたらされたのかという話は太陽系の外にも適用できる。現在、NASAなどがもつ望遠鏡による観測で、太陽系外にも多くの惑星が見つかっており、さらにその中には水があるかもしれないと見られるものもある。もし、スノー・ラインの内側へ、外側から水が運ばれてくる、ということが起こりうるものだと証明されれば、こうした他の惑星系でも同じようなことが起こった、あるいは今も起こっている、ということになり、生命が居住可能な惑星の研究や探索に新しい描像を与えることになる。

しかし、言うは易く行うは難しというように、火星の衛星まで赴き、着陸してサンプルを採取し、さらに地球まで持ち帰ってくるということは、探査機の制御や軌道設計といった点でとても難しい。過去にはソヴィエト連邦が、フォボスの探査を狙って3機の探査機を打ち上げるも、すべて失敗に終わっているし、惑星の周回軌道に入って探査し、地球に帰ってきた探査機は古今東西、一機もない。

はたしてMMXはどのようにして、この前人未踏のミッションに挑むのか。次回の探査機の仕組みについて取り上げたい。

(次回は4月27日に掲載予定です)

参考

・JAXA | 火星衛星サンプルリターンミッションの検討に関するフランス国立宇宙研究センター(CNES)との実施取決めの締結、及び署名式の実施について
・Phobos - In Depth | Planets - NASA Solar System Exploration
・Deimos - In Depth | Planets - NASA Solar System Exploration
・火星衛星フォボスとディモスの形成過程を解明－JAXA火星衛星サンプルリターン計画への期待高まる－｜ELSI
・JAXA’s exploration of the two moons of Mars, with sample return from Phobos