月の誕生物語に三つの新説、ネイチャー誌

「空飛ぶマグマ」がジャイアント・インパクト説を補う

2015.04.13
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月は、生まれたばかりの地球に火星サイズの天体が衝突したときに形成されたと考えられているが、このシナリオの詳細はまだ完成していない。(ILLUSTRATION BY HAGAI PERETS)
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 昔から「どんなものでも細かいところがいちばん厄介だ」と言われるが、月の誕生をめぐる物語も、数十年前にあらすじだけは定まったが、ディテールはいまだに完成していない。

 地球がどのようにして月という小さな友人を得たのか、だいたいのところはわかっている。およそ45億年前、地球が誕生して間もない頃に、火星サイズの天体テイアが衝突した。これによりテイアは粉々になり、融解した高温の破片が地球のまわりの軌道に撒き散らされた。この破片が数億年かけて融合し、地球の夜空に輝く天体になったのだ。ちなみにテイアは、ギリシャ神話の月の女神セレネの母の名前である。

 問題は、重要な観測事実のいくつかが、このジャイアント・インパクト説と合わないことだ。4月8日に『Nature』誌に掲載された3本の論文が、問題のいくつかを解決してくれるかもしれない。

成分の奇妙な一致

 最大の問題は、ジャイアント・インパクト説のシナリオをそのまま採用するには、地球と月の組成が似すぎていることだ。月が主としてテイアの破片からできているなら、その化学組成はテイアのそれに似ているはずだ。そして従来から言われている通りテイアが太陽系内の遠くの場所からやってきたなら、月とテイアの成分は地球のそれとは違っているはずで、そのことはさまざまな同位体(陽子の数は同じだが、中性子の数が違っている元素)の存在比の違いとして観察できるはずである。

 ところが、アポロ計画により持ち帰られた月の石を調べたところ、地球と月の同位体比は非常によく似ていたのだ。

 米サウスウエスト研究所のビル・ボトケ氏は「ジャイアント・インパクト説は数々の重要な観察事実をうまく説明できるすばらしいモデルなのですが、同位体比の近さを説明することができないのです」と言う。

 この一致は、どう説明すればよいのだろうか?


月の科学を簡単におさらいしよう。

 1つの考え方は、2012年の報告のように、月はテイアの破片ではなく地球から飛び出した破片から形成されたとすることだ。だが、イスラエル工科大学のアレサンドラ・マストロボーノ・バティスティ氏らが今回『Nature』誌にもっとシンプルな説を提出した。その論文によると、生まれて間もない太陽系のコンピューター・シミュレーションをしたところ、地球とテイアは近くの場所で成長し、そのため組成も似ていた可能性が高いという結果になったという。

「同じ環境で成長した惑星どうしは衝突しやすいのです」と彼女は言う。シミュレーションによって、惑星が成長して衝突する過程を追跡したところ、大規模な衝突の少なくとも20%はよく似た天体どうしの間で起こることがわかった。

 20%というと、あまり大きい数字ではないと思われるかもしれない。けれども、過去の研究で見積もられた確率はこの10分の1程度で、それに比べればかなり大きい。「俄然、状況が変わってきます」とボトケ氏は言う。

月と地球ができた後に降ってきた天体

 しかし、これですべての問題が解決するわけではない。月の石と地球のマントルの成分は完全には一致しておらず、ある元素の同位体比には無視できない違いがある。

 それはタングステンという元素である。タングステンにはいくつもの同位体があるが、問題になるのはタングステン182という軽い同位体。今回『Nature』誌に掲載された3本の論文のうちの2本によれば、月の石は地球に比べてタングステン182の存在比がずいぶん高い(とはいえ、その差は0.0025%と非常に小さく、最近開発された高精度の分析法でないと検出できない程度である)。

 2本の論文の説明はきわめてシンプルだ。地球と月が形成された後に、冥王星サイズの天体がいくつか衝突した結果、タングステンの重い同位体や親鉄元素(溶融したときに鉄に取り込まれやすい元素)がもたらされたというのである。衝突が起こるまでは「月と地球のマントルのタングステン182の存在比は同じでした」と、2本のうち1本の論文の著者であるドイツのヴェストファーレン・ヴィルヘルム大学のトマス・クルイヤー氏は言う。

 ところが、当初のタングステン同位体比が同じというのは、ジャイアント・インパクト説にとって困ったことになる。二つの天体が同じ場所でできたからといって、タングステン同位体比が同じになるわけではないからだ。

 もう一方の論文の著者であるメリーランド大学のリチャード・ウォーカー氏によると、タングステンの同位体比は二つの天体の元々の組成とは無関係で、中心核が形成されてからの時間に強く依存するという。ところが、地球とテイアの中心核が同時に形成されたとは考えにくい。

空飛ぶマグマの海

 月と地球の当初のタングステン182の存在比が同じになるような説明を考える中で、この上なく奇妙な仮説が登場した。それは「空飛ぶマグマの海」である。

 ウォーカーによると、ジャイアント・インパクト説では、地球のまわりの軌道に超高温の塵とガスの雲が撒き散らされる。融解した破片からなる回転円盤は、ある期間その場に残っていたのだろう。地球と月は数十年間、もしかすると数百年間も数千年間も物質を交換しつづけ、化学成分の差を解消していったのかもしれない。

 空飛ぶマグマの海と冥王星サイズの天体の衝突は、タングステンの同位体比を説明できるかもしれないが、オリジナルのジャイアント・インパクト説のシナリオにはなじまない部分も残っている。月がその秘密を明かしてくれるまでには、もうすこし時間がかかりそうだ。

文=Nadia Drake/訳=三枝小夜子

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