東大などが月の内部進化史を数値モデルで再現 - 月形成史の解明に光

東京大学(東大)と愛媛大学の両者は9月21日、これまでの数値シミュレーションでは、過去に実際に起きた月の大きさの変化(半径変化)や火山活動との整合性が取れていなかったのに対して、新たに構築した月内部の「2次元円環モデル」で初めて整合性を取ることに成功したと共同で発表した。

同成果は、東大大学院総合文化研究科広域科学専攻広域システム科学系の于賢洋大学院生、同・小河正基准教授(研究当時)、愛媛大地球深部ダイナミクス研究センターの亀山真典教授ら共同研究チームによるもの。詳細は、惑星科学の全般を扱う学術誌「Journal of Geophysical Research: Planets」に掲載された。

月は誕生してから膨張を続け、約38億年前にピークに達し、その後は収縮したことが明らかにされている(半径変化史)。またこの膨張のピークのころの月は、「月の海」における火山活動が活発だった時期でもあり、その後15億年～20億年程度、この火山活動は継続したことが示されている(火山活動史)。初期に月内部の温度や物質はどのような状態だったのか、それがどのような進化を経て現在のような姿になったのかを理解する上で、このような月内部の歴史を数値計算で再現することは有効だという。

観測によって示された月の半径変化・火山活動史。マグマの噴出頻度データは、Whitten & Head (2015), Icarus より引用されたもの。(出所:東大Webサイト)

ただしこれまでの数値シミュレーションでは、これらの観測事実(半径変化史と火山活動史)を同時に示すことができていなかったとする。古典的な月内部進化モデルでは、約45億年前の月は内部が冷たく、その後放射性元素の発熱により暖められたと考えられており、月の初期膨張や火山活動の歴史は自然に説明できると思われていた。しかし、そのような低温の初期状態は、現在月形成過程として広く支持されているジャイアント・インパクト説や、そこから予想されているマントル・オーバーターンと整合的ではないという大きな課題があった。

ジャイアント・インパクト説では、形成直後の月内部は高温であり大部分が溶けていたと考えられているが、このような状態から出発した場合、初期の半径膨張を説明することができなかったとのこと。同様に初期の火山活動史についても、最初の数億年間はあまり活発でなかったことを説明できなかったとする。

そこで今回の研究では、火成活動(マグマの生成・移動の効果)をマントル対流モデルに反映させた月内部の2次元円環モデルを新たに構築し、このような半径変化史、火山活動史を整合的に示すことができるのかを調べたという。

その結果、約45億年前の月内部の大部分が固体だった場合、マグマが深部で生成されてその後上昇することで火山活動が活発化すること、またマグマの生成に伴う体積膨張によって月全体の半径膨張が引き起こされることが判明したとする。

約37億年前の月内部の温度、マグマ量(上)とマントル組成(下)の描像。(出所:東大Webサイト)

月の深部で生成したマグマの大部分は部分溶融し、地球のマントルで見られるプルームのようなものとして月表面に向かって上昇することで、火山活動や半径膨張を引き起こすとする。その後、マグマの冷却に伴う固化により半径は収縮し、部分溶融したプルームの上昇も鈍化していくが、このようなプルームの上昇はその後数十億年間継続することがわかったという。そしてこのような数値計算による月内部の歴史は、観測事実で示されているような火山活動史や半径変化史と整合的であることが確認されたとしている。

月内部進化の概略図。(出所:東大Webサイト)

研究チームによると、今回のような月初期の描像は、月の形成過程と進化過程を結びつける上で意義深いと考えられるという。たとえば、今回の研究で示された計算開始時の温度分布は、ジャイアント・インパクト後の月深部は大部分が溶けてしまうほど高温であるという説よりも、むしろ衝突前から数百度温度が上がった程度に留まるという説を支持している可能性があるとする。

また、今回の研究によって火山活動史や半径変化史が説明されたが、いくつかの月の特徴的な性質(月の表側・裏側で地殻の厚さが異なる二分性、月の磁場を生み出すコア・ダイナモなど)は、2次元の数値モデルで説明するには困難だという。そのため研究チームは今後、今回のモデルを発展させ、3次元球殻を用いてより一層現実的な形状での月進化モデリングが期待されるとしている。