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天体衝突シミュレーションで衛星エウロパ表面を覆う氷の殻の厚さに迫る! ヒントは氷殻の構造に強い影響を受ける多重リング盆地

2024年04月10日 | 木星の探査
表面が厚い氷で覆われる木星の第2衛星エウロパでは、潮汐加熱によって内部に広大な海が存在すると考えられ、生命が存在する可能性がる天体として注目されています。

今回の研究では、エウロパの表面“多重リング盆地”と呼ばれる地形に着目。
国立天文台が運用する計算サーバを用いて天体衝突シミュレーションを行うことで、多重リング盆地の形成過程を調べ、エウロパの氷殻の厚さを導き出しています。

計算の結果、“硬い層”と“もろい層”からなる少なくとも約20キロの厚さの氷殻があると考えると、多重リング盆地の地形をよく説明できることが明らかになりました。

氷殻の厚さはエウロパでの生命居住可能性を議論する上で重要な情報となるので、今後の進展が期待されます。
この研究は、アメリカ・パデュー大学の脇田茂研究員たちの研究チームが進めています。
本研究の成果は、Wakita et al. “Multiring basin formation constrains Europa’s ice shell thickness”として、2024年3月20日付でScience Advancesに形成されました。
図1.エウロパで起こった多重リング盆地を形成する天体衝突(イメージ図)。(Credit: Brandon Johnson generated with the assistance of AI.)
図1.エウロパで起こった多重リング盆地を形成する天体衝突(イメージ図)。(Credit: Brandon Johnson generated with the assistance of AI.)


エウロパ表面を覆う氷の殻

エウロパは木星の衛星の一つで、その表面が氷で覆われた氷殻となっています。
氷殻の下には、液体の水でできた地下海があると考えられていて、そこに生命が存在する可能性が高いと注目されています。

ただ、この海での生命居住の可能性を考える上で、以下のことを理解する必要があります。
・氷殻表面の物質と地下海の物質とが、どのように循環しているのか。
・彗星のような突発的な外部由来物質が、氷殻を通して地下海に供給される可能性があるのか。

これらについて、重要なカギとなるのが氷殻の厚さになります。

でも、氷殻の厚さは直接計測できないんですねー
なので、クレーターなどの観測から得られる情報を用いて、間接的に求めた氷殻の厚さについて議論が続いています。


多重リング盆地を形成する氷殻の構造

これまでは、エウロパの表面にある小さなクレーターなどから、氷殻の厚さが見積もられていました。
でも、氷殻が薄い場合と、厚い氷殻が“硬い層”と“もろい層”で構成されている場合とを、区別することができないという問題点がありました。

これに対して、今回の研究で着目したのは、これまでの探査機で見つかった“多重リング盆地”と呼ばれる同心円状の構造を示す大きなクレーターでした。

この多重リング盆地の形成は氷殻の構造に強い影響を受けるので、その形成過程を解明することで氷殻の厚さに制限を付けられると考えた訳です。
図2.木星探査機“ガリレオ”によって観測されたエウロパの多重リング盆地“Tyre.”(Credit: NASA/JPL/ASU)
図2.木星探査機“ガリレオ”によって観測されたエウロパの多重リング盆地“Tyre.”(Credit: NASA/JPL/ASU)
研究チームでは、この多重リング盆地を形成する氷殻の構造を明らかにするため、国立天文台が運用する“計算サーバ”と、数値衝突計算コード“iSALE”(※1)を用いた天体衝突シミュレーションを実施。
※1.ヨーロッパ・アメリカ・ロシアのグループが開発した複数の物質をとらえる数値衝突計算コード。天体衝突の研究などに用いられている。https://isale-code.github.io/
図3.計算サーバは、国立天文台シミュレーションプロジェクトが運用する共同利用計算機の一つ。小規模ながらも長い計算時間を必要とするシミュレーションや、大型スーパーコンピュータで行うシミュレーションの準備段階の計算などに用いられている。2024年3月時点のシステム規模は106ノード、総コア数2160。(Credit: 国立天文台)
図3.計算サーバは、国立天文台シミュレーションプロジェクトが運用する共同利用計算機の一つ。小規模ながらも長い計算時間を必要とするシミュレーションや、大型スーパーコンピュータで行うシミュレーションの準備段階の計算などに用いられている。2024年3月時点のシステム規模は106ノード、総コア数2160。(Credit: 国立天文台)
当初の見積もりでは、1度のシミュレーションにかかるのは1か月ほど。
でも、計算サーバなどの計算機を利用することで、現実的な時間内に100通り以上の計算を試行することが可能となりました。

その結果分かったのは、多重リング盆地の形成には“硬い層(リソスフェア)”と“もろい層(アセノスフェア)”の2層からなる、少なくとも厚さが20キロの厚い氷殻が必要だということ。

さらに、厚さが20キロ以上の氷殻の場合は、エウロパ表面に存在する2つの多重リング盆地の観測結果とよく一致する結果を示しました。
一方、薄い氷殻を想定したシミュレーションでは、たとえ“もろい層”があったとしても、多重リング盆地の観測結果を再現することができませんでした。
エウロパ上の多重リング盆地の形成の衝突シミュレーション。カラーマップは衝突による変形度合いを、白点線は氷殻と地下海の境界線を示している。右上にはシミュレーションの一部(図3中央の黒枠部分)を拡大して示している。400秒以降に拡大図で見られるV字型の構造(黒破線)は、観測と一致するリング構造の形成を表している。(Credit: Shigeru Wakita)
図4(Credit: Shigeru Wakita)
図4(Credit: Shigeru Wakita)
多重リング盆地に着目したことにより、今回の研究では氷の厚さと構造の情報を得ることができました。
ただ、氷の厚さの下限値を決めることはできましたが、上限値は決められていません。

探査機による観測、特にNASAが2024年10月の打ち上げを目指して準備を進めている探査ミッション“エウロパ・クリッパー(Europa Clipper)”は、このことを解決できる可能性があります。

多重リング盆地を観測する際、今回の研究で得られた厚い氷を念頭に置くと、氷の厚さだけでなく、地下海の深さの情報も得られるかもしれません。
そうすることで、エウロパでの生命居住の可能性を、より明確にできるのかもしれませんね。


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木星の衛星エウロパの地下海に供給される酸素の量は少ない? 探査機“ジュノー”の観測データから分かったこと

2024年04月02日 | 木星の探査
表面が3キロに及ぶ氷で覆われる木星の第2衛星エウロパ。
この衛星では、潮汐加熱によって内部に広大な海が存在すると考えられています。

潮汐加熱とは、別の天体の重力がもたらす潮汐力によって天体の内部が変形し、加熱される現象のこと。
この変形を繰り返すことで、発生した摩擦熱により衛星内部は熱せられることになります。

エウロパには、この潮汐加熱によって作られた地球の海水の2倍という大量の水をたたえた地下海が、氷の外殻の下に広がっているのではないかと考えられていて、生命が存在する可能性も指摘されています。

さらに考えられるのは、地下海に表面の氷が分解して生じた酸素が供給されていること。
地下海に酸素呼吸を行う生命がいれば、貴重な供給源となっている可能性もあります。

でも、エウロパの酸素発生量を推定するためのデータが乏しく、推定される最小値と最大値の間で1000倍もの幅がありました。

今回の研究では、NASAの木星探査機“ジュノー”の観測データに基づき、エウロパ表面での酸素発生量を推定しています。

その結果、推定される酸素発生量は毎秒6~18キロ。
この発生量は比較的少ないもので、酸素呼吸を行う生命にとっては足りない値と言えます。
この研究は、プリンストン大学のJ. R. Szalayさんたちの研究チームが進めています。
図1.エウロパの表面では、氷の分解により酸素が発し、海に供給されていると考えられている。今回の研究は、酸素の推定発生量をより絞り込んでいる。(Credit: NASA, JPL-Caltech, SWRI & PU)
図1.エウロパの表面では、氷の分解により酸素が発し、海に供給されていると考えられている。今回の研究は、酸素の推定発生量をより絞り込んでいる。(Credit: NASA, JPL-Caltech, SWRI & PU)


光合成に頼らない酸素の供給方法

木星の衛星エウロパは、地球の月よりも小さな衛星ながら長年注目を集めている天体です。

表面全体は氷で覆われていますが、その内部には豊富な液体の水で満された海が存在すると考えられています。
その規模は地球の海よりもずっと大きいもののようです。

海があれば、考えるのは独自の生命が誕生している可能性です。

もし、エウロパに独自の生命がいるとすると、それは地球の深海底に似た環境に生息している微生物に似ているのかもしれません。
そのような生命は、海底から湧き上がる高温の熱水と、それに含まれる無機物を代謝して活動しているはずです。

光が届かない深海という光合成に頼れない環境に適応しているので、光合成の過程で生じる酸素を必要としていません。
ただ、この前提は、酸素を必要とする生命がエウロパに全く存在しないことを意味するものではありません。

エウロパの表面には薄い大気しかないので、宇宙空間に存在する荷電粒子(電気を帯びた粒子)が高速で氷に衝突することになります。
すると、その衝突で氷を構成する水分子が分解され、水素や酸素の分子や原子が放出されます。

仮に、酸素分子が宇宙空間に接する氷の最表面ではなく氷の内部で生じた場合、宇宙空間に逃げ出しにくくなるので、やがて内部の海へと取り込まれることになります。

もし、このプロセスによる酸素分子の発生量が多ければ、光合成に頼らなくても、酸素呼吸する生命を維持することができるかもしれません。

でも、エウロパの酸素発生量を推定することは困難で、これまでの研究では毎秒0.3~300キロと、発生量の推定値に1000倍もの差が生じていました。


酸素分子が海に供給される量

今回の研究では、NASAの木星探査機“ジュノー”の観測データを元に、エウロパの酸素発生量を推定しています。

“ジュノー”の観測機器には荷電粒子を観測するものがあり、エウロパの接近時にはエウロパから逃げ出す荷電粒子、つまり氷の分解で生じた物質を検出できます。
これは、以前の木星探査機では取得できていないデータでした。

研究チームでは、“ジュノー”の観測データに電気を帯びた水素原子と酸素原子が含まれていることを確認し、そこから酸素分子の発生量を推定。
水素の放出量から分かったのは、エウロパ表面での酸素発生量が毎秒6から18キロ(12±6kg/s)ということでした。

この値は比較的小さなものでした。
ただ、これはエウロパ表面での発生量なので、海へ供給されていく量ではありません。

海へ供給される割合は不明なものの、表面での酸素発生量が最大でも毎秒18キロなので、かなり小さな供給量になることを間接的に示していました。

さらに、エウロパ表面で分子の離脱について、これまでの予想とは異なるプロセスが起こっていることも判明しています。

これまで、水素分子の離脱は、局所的に表面温度が高い場所で発生している熱的離脱がメインだと考えられていました。
でも、今回測定された水素分子の平均速度が示していたのは、熱を伴わない離脱がメインであること…
この詳細は、今回の研究では不明のままになっています。(※1)
※1.荷電粒子が分子に衝突して直接叩き出すスバッタリングや、氷を流れるわずかな電流によって生じる熱によって分子の運動が活発になるジュール熱などが推定されている。
エウロパ表面で起こるプロセスをより深く知ることは、酸素分子が海に供給される量についての考察をする上で、欠かせないものです。
今回の研究を見る限りでは、エウロパに独自の生命がいたとしても、酸素呼吸を行うものはかなり少なめか、存在しないのかもしれません。

また、エウロパ以外にも氷の下に海があると予測される天体は複数あるので、本研究の成果は海の環境の推定に影響する可能性もあります。

エウロパは、2023年4月に打ち上げられたヨーロッパ宇宙機関の木星氷衛星探査機“JUICE”や、NASAが2024年10月の打ち上げを目指して準備を進めている探査ミッション“エウロパ・クリッパー(Europa Clipper)”の探査対象になっています。

エウロパの地下海に生命は存在するのでしょうか?
いるとしたら、その生命は酸素呼吸を行っているのでしょうか?
“JUICE”や“エウロパ・クリッパー”が、新たな知見をもたらしてくれるかもしれませんね。


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木星の赤道付近に強いジェット気流を発見! 濃い霧の中でも雲を見つけるジェームズウェッブ宇宙望遠鏡の高い赤外線感度の活用

2023年12月21日 | 木星の探査
地球のおよそ10倍の直径を持つ巨大ガス惑星の木星では、大気の流れが帯状の雲の流れを作っています。

ただ、木星の縞模様や目玉のような大赤班といった、特徴的な模様を作り出す大気については未だに謎が多いんですねー

このような特徴的な模様を作り出す大気を観測することは、木星の謎を解き明かすことにつながると同時に、様々な天体の大気循環を知ることにも役立ったりします。

今回の研究では、ジェームズウェッブ宇宙望遠鏡を用いて赤外線領域での木星における大気の循環を観測。
その結果、赤道付近でこれまで知られていなかった風速140m/sのジェット気流を新たに発見しています。

このことは、木星の大気循環に対するこれまでの理解が、まだ完全でないことを示唆する新しい発見になるそうです。
この研究は、バスク大学のRicardo Huesoさんたちの研究チームが進めています。
図1.ジェームズウェッブ宇宙望遠鏡で2022年7月27日に撮影された木星。3つの波長で撮影された画像を重ね合わせた疑似カラー画像。両極の赤い部分はオーロラになる。(Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, Ricardo Hueso (UPV), Imke de Pater (UC Berkeley), Thierry Fouchet (Observatory of Paris), Leigh Fletcher (University of Leicester), Michael H. Wong (UC Berkeley) & Joseph DePasquale (STScI))
図1.ジェームズウェッブ宇宙望遠鏡で2022年7月27日に撮影された木星。3つの波長で撮影された画像を重ね合わせた疑似カラー画像。両極の赤い部分はオーロラになる。(Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, Ricardo Hueso (UPV), Imke de Pater (UC Berkeley), Thierry Fouchet (Observatory of Paris), Leigh Fletcher (University of Leicester), Michael H. Wong (UC Berkeley) & Joseph DePasquale (STScI))


木星の赤道付近に強いジェット気流は存在している?

木星と地球の数少ない共通点として、上空の大気循環が挙げられます。
どちらも帯状の大気の流れがあり、緯度が違うと方向が正反対になっていることも珍しくありません。

太陽系最大の大きさを持つ木星の大気循環を知っておくことは、太陽系以外の様々な天体の大気循環を理解するための大きな手掛かりとなります。

それは、木星と似たタイプの巨大ガス惑星に留まらず、地球のような小さな惑星、あるいは褐色矮星(※1)のような惑星と恒星の中間的なタイプの天体の大気循環を知るためのヒントにもなります。
褐色矮星は巨大ガス惑星と恒星の中間に属する天体。褐色矮星の定義は複数存在するが、一般には木星のおよそ13倍~80倍の質量を持つ天体を褐色矮星とみなされている。そのような質量の天体では、(恒星と異なり)水素の核融合が起こらず、(惑星と異なり)重水素やリチウムの核融合が起こっているが、存在量が非常に少ない原子核を素にしている反応なので、すぐに停止してしまう。その後は、赤外線放射をしながらゆっくりと冷えていくことになる。一方、質量以外では、重い惑星と軽い褐色矮星は、ほとんど同じ性質を示すと考えられている。
木星の大気循環は、これまで様々な惑星探査機や望遠鏡で観測されてきました。
でも、可視光線領域以外での詳細な観測は、あまり行われてこなかったんですねー

特に赤外線領域での観測には、これまで大きな困難がありました。

大気循環を追うためには、大気の流れに沿って動く雲を追跡する必要があり、個々の雲の追跡は赤外線での観測が最も適しています。

でも、木星表面から25~50キロ付近の大気中には(※2)、赤外線領域での観測を妨げる濃い霧が存在していて、文字通り“五里霧中”の状態…
個々の雲の様子や手掛かりがつかめず、大気循環の理解が進んでいませんでした。
※2.木星のように気体が主体の惑星には観測できる個体の表面が無いので、惑星科学では便宜的に大気圧が1気圧となる場所を“表面”と定義し、高度0キロとしている。この記事では分かり易くするため高度を表記しているが、実際の論文では長さの代わりに気圧で高度を表現している。
表面から25~50キロ付近の霧で隠されている領域は、これまでの観測で緯度によって大きな違いがあることが知られています。
上空に行くに従い風速がどんどんゼロに近付く高緯度地域に対して、赤道付近ではかなり強い風が吹いていることも知られています。

一方、土星では赤道直下の5度以内という非常に狭い範囲に、風速400m/sの強いジェット気流があることが観測されています。

それでは、木星でも土星と同じようなジェット気流があるのでしょうか?
木星では赤道付近がより霧が濃いので、強いジェットが存在するかどうかは分かっていません。

ただ、NASAの土星探査機“カッシーニ”の紫外線観測データは、木星の赤道付近にジェット気流の存在を示唆していましたが、解像度の限界により存在を決定づけることはできませんでした。


濃い霧の中でも雲を見つけることができる高い赤外線感度

今回の研究で木星大気の観測に用いられたのはジェームズウェッブ宇宙望遠鏡でした。

ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、NASAが中心となって開発した口径6.5メートルの赤外線観測用宇宙望遠鏡。
ハッブル宇宙望遠鏡の後継機として2021年12月25日に打ち上げられ、地球から見て太陽とは反対側150万キロの位置にある太陽―地球間のラグランジュ点の1つに投入され、ヨーロッパ宇宙機関と共同で運用されています。

高い赤外線感度と高性能な分光器を持つジェームズウェッブ宇宙望遠鏡が得意としているのは、遠方の深宇宙だけではないんですねー

見た目の移動速度が速い太陽系内の天体を追跡して詳細な観測が行えることも強みにしていて、今回の研究ではその能力が活かされています。

高い赤外線感度は、濃い霧の中でも雲を見つける能力に長けています。
風速を知るには、雲を追いかけることが唯一の手段となるので、これは重要なことです。
図2.木星の自転周期に相当する約10時間の間隔を置いて撮影された木星。いくつかの雲が追跡され、ジェット気流の速度が計算された。(Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, Ricardo Hueso (UPV), Imke de Pater (UC Berkeley), Thierry Fouchet (Observatory of Paris), Leigh Fletcher (University of Leicester), Michael H. Wong (UC Berkeley) & Joseph DePasquale (STScI))
図2.木星の自転周期に相当する約10時間の間隔を置いて撮影された木星。いくつかの雲が追跡され、ジェット気流の速度が計算された。(Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, Ricardo Hueso (UPV), Imke de Pater (UC Berkeley), Thierry Fouchet (Observatory of Paris), Leigh Fletcher (University of Leicester), Michael H. Wong (UC Berkeley) & Joseph DePasquale (STScI))
ジェームズウェッブ宇宙望遠鏡による風速の観測結果は、これまでの複数の観測結果と良く一致し、緯度ごとのより詳細なデータを得ることにも成功しています。

いくつかのデータの中で最も興味深いのは、赤道付近で未知のジェット気流を発見したこと。
ジェット気流は赤道から緯度にして±3度以内(約48000キロ)と非常に狭い範囲にあり、表面から25キロ付近で最大風速140m/sで循環していました。

このジェット気流は土星のものよりずっと遅いとはいえ、これほどの風速は地球で観測されたどの風よりも速いもので、この観測結果は“カッシーニ”のデータとも一致していました。
図3.それぞれの波長で追跡された雲の動きによるジェット気流の速度。最も速いものでは風速140m/s(時速515キロ)を記録している。(Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, Ricardo Hueso (UPV), Imke de Pater (UC Berkeley), Thierry Fouchet (Observatory of Paris), Leigh Fletcher (University of Leicester), Michael H. Wong (UC Berkeley) & Joseph DePasquale (STScI))
図3.それぞれの波長で追跡された雲の動きによるジェット気流の速度。最も速いものでは風速140m/s(時速515キロ)を記録している。(Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, Ricardo Hueso (UPV), Imke de Pater (UC Berkeley), Thierry Fouchet (Observatory of Paris), Leigh Fletcher (University of Leicester), Michael H. Wong (UC Berkeley) & Joseph DePasquale (STScI))
ジェームズウェッブ宇宙望遠鏡による観測結果は、他の緯度でも細かな風速データの修正につながっています。
特に未知のジェット気流の発見により、木星の大気循環モデルが大きく修正されることになり、大気科学分野での改善に役立ちました。

一方、地球を含めた多くの天体がそうであるように、木星も数年から数十年周期で大気循環が変化することが知られています。
木星の気温は季節やその他の周期とは関係なく、一定間隔で温かくなったり寒くなったりしているんですねー

このことから、今回発見された赤道のジェット気流も、時期によって変化する可能性があります。
ジェット気流がどのように変化するのかは、これからの観測によって明らかにされるはずです。


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NASAの木星探査機“ジュノー”の観測データから衛星ガニメデの表面に塩と有機物を検出! 内部の海から表面に到達した海水の名残りかも

2023年11月16日 | 木星の探査
イタリア国立天体物理学研究所(INAF)のFederico Tosiさんを筆頭とする研究チームは、NASAの木星探査機“ジュノー”による2021年の観測データを分析した結果、木星の衛星ガニメデの表面に塩と有機物を検出したたとする研究成果を発表しました。

今回の研究成果をまとめた論文はNature Astronomyに掲載されています。
図1.木星の衛星ガニメデ。NASAの木星探査機“ジュノー(Juno)”の可視光カメラ“JunoCam”で2021年6月に撮影。(Credit: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kalleheikki Kannisto)
図1.木星の衛星ガニメデ。NASAの木星探査機“ジュノー(Juno)”の可視光カメラ“JunoCam”で2021年6月に撮影。(Credit: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kalleheikki Kannisto)

太陽系で磁場が発生していることが判明した唯一の衛星

木星を周回する4つの大型衛星の一つがガニメデです。
ガニメデは直径が5268キロもある太陽系最大の衛星で、太陽系最小の惑星となる水星(直径4880キロ)よりも大きな衛星なんですねー

これほどの大きさがあるガニメデは中心部が金属に富んでいて、そこから磁場が発生していることが観測で判明している唯一の衛星でもあります。
その内部は氷、岩石、鉄が分化した層状の構造を成していると考えられています。

2021年6月、“ジュノー”は34回目の木星フライバイ(接近通過)“Perijove 34(PJ 34)”の一環として、ガニメデ表面から1046キロまで接近して観測を実施。
ガニメデにここまで接近したのは、2000年5月の木星探査機“ガリレオ”以来21年振りのことでした。

この接近時、“ジュノー”に搭載されているオーロラ分布図作成のための赤外線観測装置“JIRAM”を使用して、ガニメデ表面のデータが収集されています。

“JIRAM”は、イタリア宇宙機関(ASI)が開発した木星の深部から放射される赤外線をとらえて、表面(雲頂)から深さ50~70キロを探査するために開発された観測装置です。
木星の衛星についての知見を得るための観測にも使用されていました。
34回目の木星フライバイ“Perijove 34(PJ 34)”実施時に、“JunoCam”で撮影された画像をもとに作成されたガニメデと木星の動画。
(Credit: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS)

ナトリウムは液体の水と岩石の相互作用を示している

2021年6月のガニメデ接近時に行われた“JIRAM”を用いた観測では、ガニメデの木星に面した半球の一部(北緯10度~30度・東経-35度~+40度の範囲)における細長い線状のエリアについて、1キロ以下というこれまでになく高い空間分解能で赤外線画像と赤外線スペクトル(光の波長ごとの強度分布)が取得されました。

研究チームでは“JIRAM”による赤外線スペクトルデータを分析。
このスペクトルに表れた特徴は、水の氷以外に塩化ナトリウム水和物、塩化アンモニウム、炭酸ナトリウム、炭酸カルシウム、炭酸水素ナトリウム、それに脂肪族アルデヒドを含む可能性がある有機化合物などの存在を示すものでした。

これらの特徴については、アンモニアを凝縮するのに十分なほど低温の物質がガニメデの形成時に蓄積されたことや、炭酸塩の存在からはもともと二酸化炭素を豊富に含んだ氷を蓄積していたことが、理由として考えられます。

また、特定の場所に存在するナトリウムは、地球や土星の衛星エンケラドス、木星の衛星エウロパ、小惑星帯の準惑星ケレスといったほかの天体と同様に、液体の水と岩石の相互作用を示していました。
生命の起源に関わる重要な有機化合物の素になった“プレバイオティック分子”として重要な役割を果たすアルデヒドは、古代の熱水環境に存在していた可能性があるようです。
図2.“JIRAM”の観測で得られたデータの一つをガニメデの地図に重ねて示した図。画像右下の断層付近で塩化アンモニウムに由来するとみられるスペクトルの兆候が強くなっていることが示されている。(Credit: NASA/JPL-Caltech/SwRI/ASI/INAF/JIRAM/Brown University)
図2.“JIRAM”の観測で得られたデータの一つをガニメデの地図に重ねて示した図。画像右下の断層付近で塩化アンモニウムに由来するとみられるスペクトルの兆候が強くなっていることが示されている。(Credit: NASA/JPL-Caltech/SwRI/ASI/INAF/JIRAM/Brown University)

塩や有機物は内部海から表面に到達した海水の名残り

“JIRAM”は、ガニメデの外観を特徴づけている明るい領域と暗い領域の様々な地形におけるデータを取得することにも成功しています。

このデータからは、暗い領域をはじめ明るい領域の断層付近でもより豊富な塩や有機物が検出されていて、断層ごとの組成に違いはあるものの、地下からの塩水の噴出といった内部に起因するプロセスが物質の組成を決定づけた可能性が示唆されました。

実は、ガニメデの表面に塩や有機物が存在する可能性は、ハッブル宇宙望遠鏡などによる観測でも示唆されていました。
ただ、局所的な分布を決定付けられるほど解像度の高いデータは、これまで得られていませんでした。

また、内部と外部それぞれに起因するプロセスが組み合わさるので表面組成の研究は複雑になり、検出されたガニメデ表面の組成は必ずしも内部の組成を示しているわけではありません。

検出された塩や有機物と探査エリアの関係性については、過去のある時代までに液体の水と岩石マントルとの間で起きた相互作用の結果で、今回の研究によってガニメデで起こっている複雑な化学反応が実証できました。
図3.木星探査機“Juno(ジュノー)”のイメージ図。(Credit: NASA/JPL-Caltech)
図3.木星探査機“Juno(ジュノー)”のイメージ図。(Credit: NASA/JPL-Caltech)
木星は強い磁場を持っていて、宇宙空間に存在する荷電粒子(電気を帯びた粒子)をとらえて加速させています。

これらの粒子は時々木星の衛星たちに衝突し、表面にある物質を分解する“放射線分解”というプロセスが発生しているんですねー
この現象は、地質活動があまり活発でない天体表面で発生する主要な化学反応の1つになっています。

ただ、ガニメデは独自の磁場を持っているので、衛星へと降り注ぐ荷電粒子から表面の一部(赤道から緯度40度までの範囲)を保護する役割を果たしていると考えられています。

なので、磁場に保護されている領域で検出された塩や有機物については、表面で化学反応をしていないはずです。
内部海から表面に到達した海水の名残りを見ているのかもしれません。

木星の氷衛星を複数探査するミッション

木星の氷衛星は、表面を覆う氷の下に巨大な地下海が存在すると考えられています。
この氷衛星を探査するミッションが木星氷衛星探査計画“JUICE(JUpiter Icy Moons Explorer)”です。

そう、ガニメデは“JUICE”の探査目標になっている天体なんですねー

日本が観測装置の一部を担当しているガニメデ高度計“JUICE-GALA”は、探査機“JUICE”とガニメデとの間の距離を測定することで、ガニメデの形状変化をとらえて、地下海の構造を明らかにする予定です。

海の有無を調べるだけでなく、熱源や栄養源など、生命に欠かせない要素を探し、地球外生命が存在する可能性を追求することになります。

さらに、木星のオーロラや磁気圏、そして太陽系の衛星で唯一固有の磁場を持つガニメデの周辺環境も調べる計画になっています。
日本は、10個ある観測機器のうち6つの開発やサイエンスに参加しています。

木星を目指し8年の長い旅をスタートさせた“JUICE”。
ミッションの前半では木星を周回しながらエウロパやカリスト、ガニメデの3つの氷衛星を探査し、後半のミッションではガニメデの周回軌道に入って探査を行うことになっています。

ミッション完了までの10年、この長い期間“JUICE”に何が起こるのでしょうか?

きっと、誰も行ったことのない世界を訪れた“JUICE”は、誰も見たことのないデータを得て、多くの科学成果を届けてくれるはずです。


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衛星エウロパの地下海に生命にとって重要な元素のひとつ炭素が含まれている? 太陽系内の観測も得意なジェームズウェッブ宇宙望遠鏡

2023年11月09日 | 木星の探査
表面が3キロに及ぶ氷で覆われる木星の第2衛星エウロパでは、潮汐加熱によって内部に広大な海が存在する可能性が指摘されています。

衛星の軌道が円形でないとき、惑星から遠いときはほぼ球体の衛星も、接近するにしたがって惑星の重力で引っ張られ極端に言えば卵のような形になります。
そして惑星から遠ざかるとまた球体に戻っていく。
これを繰り返すことで発生した摩擦熱により衛星内部は熱せられることになります。
このような強い重力により、天体そのものが変形させられて熱を持つ現象を潮汐加熱といいます。

エウロパには、この潮汐加熱によって作られた地球の海水の2倍という大量の水をたたえた地下海が、氷の外殻の下に広がっているのではないかと考えられて、生命が存在する可能性も指摘されています。

今回の研究では、ジェームズウェッブ宇宙望遠鏡の近赤外線カメラ“NIRCam”によるエウロパの観測データを、2つの研究チームが分析。
その結果、表面の特定の地域に二酸化炭素(CO2)が集中して存在することを突き止めています。

このことが示しているのは、エウロパの地下海の水に炭素が含まれている可能性でした。

複雑な化合物の材料となる炭素は、地球の生命にとって非常に重要な元素のひとつ。
エウロパの地下海に生命が存在することを期待させる発見ですね。
この研究を進めているのは、NASAゴダード宇宙飛行センターのGeronimo Villanuevaさんと、コーネル大学のSamantha K. Trumboさん、それぞれを筆頭とする2つの研究チームです。
両チームの成果をまとめた論文はScienceに掲載されています。
NASAの木星探査機“ジュノー”の可視光カメラ“JunoCam”で撮影された衛星エウロパ。(Credit: NASA/SwRI/MSSS/Thomas Appéré)
NASAの木星探査機“ジュノー”の可視光カメラ“JunoCam”で撮影された衛星エウロパ。(Credit: NASA/SwRI/MSSS/Thomas Appéré)

二酸化炭素はエウロパの地下海に由来する

ジェームズウェッブ宇宙望遠鏡を運用する宇宙望遠鏡科学研究所(STScI)によると、二酸化炭素はエウロパ表面のタラ地域(Tara Regio)やポーイス地域(Powys Regio)に集中して分布していました。

これらの地域は、外核の一部が崩落したことで形成されたとみられる“カオス地形(chaos terrain)”として知られています。

エウロパ表面の約4分の1を覆うカオス地形は地質学的に若く、亀裂・尾根・流氷のようにブロック化した氷で構成されています。
ジェームズウェッブ宇宙望遠鏡の近赤外線カメラ“NIRCam”で観測した木星の衛星エウロパ。白く見える部分はタラ地域(中央~右)とポーイス地域(左下)。ジェームズウェッブ宇宙望遠鏡は主に赤外線の波長で観測を行うので、画像の色は取得時に使用されたフィルターに応じて着色されている。(Credit: NASA, ESA, CSA, G. Villanueva (NASA/GSFC), S. Trumbo (Cornell Univ.), A. Pagan (STScI))
ジェームズウェッブ宇宙望遠鏡の近赤外線カメラ“NIRCam”で観測した木星の衛星エウロパ。白く見える部分はタラ地域(中央~右)とポーイス地域(左下)。ジェームズウェッブ宇宙望遠鏡は主に赤外線の波長で観測を行うので、画像の色は取得時に使用されたフィルターに応じて着色されている。(Credit: NASA, ESA, CSA, G. Villanueva (NASA/GSFC), S. Trumbo (Cornell Univ.), A. Pagan (STScI))
エウロパでは、ハッブル宇宙望遠鏡などの観測データから、水蒸気のプルーム(水柱、間欠泉)が噴出していると考えられていて、タラ地域に関しては塩化ナトリウム(NaCl、食塩の主成分であり地球の海水にも含まれている)の存在が2019年に報告されていました。

また、カオス地形では、エウロパ表面から地下海へと酸素が運び込まれている可能性も指摘されるなど、エウロパの表面と地下海の間では物質が循環している可能性が考えられます。
エウロパの表面を覆う外殻の断面を示した図。中央右側にカオス地形が描かれている。(Credit: NASA/JPL-Caltech)
エウロパの表面を覆う外殻の断面を示した図。中央右側にカオス地形が描かれている。(Credit: NASA/JPL-Caltech)
“NIRCam”で検出された二酸化炭素について、隕石の衝突などによって外部から供給されたものではないことを分析結果が示していることから、両チームはエウロパ内部から比較的最近になって表面に供給されたものだと考えています。

そう、検出された二酸化炭素はエウロパの地下海に由来する可能性があるんですねー

二酸化炭素はエウロパの表面では安定せず、地質学的に若いカオス地形に集中して分布することから、宇宙望遠鏡科学研究所でも内部から最近供給されたと考えても矛盾しないとしています。

実は、エウロパの二酸化炭素そのものは過去にも検出されていました。
でも、それが地下海に由来するのか、それとも外部からもたらされた物質に由来するのかを、これまで判断できず…
今回の成果は、地下海の化学的性質を探る上で大きな一歩になりそうです。

一方、Villanuevaさんの研究チームでは、エウロパから噴出しているとみられる水蒸気のプルームを探しています。
残念ながら今回の観測データからは、その証拠は見つかりませんでした。

ただ、プルームは常に噴出しているとは限らないので、今回の観測ではたまたま検出されなかった可能性もあります。

深宇宙だけじゃないジェームズウェッブ宇宙望遠鏡の能力

ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、NASAが中心となって開発した口径6.5メートルの赤外線観測用宇宙望遠鏡です。

ハッブル宇宙望遠鏡の後継機として2021年12月25日に打ち上げられ、地球から見て太陽とは反対側150万キロの位置にある太陽―地球間のラグランジュ点の1つの投入され、ヨーロッパ宇宙機関と共同で運用されています。

高い赤外線感度と高性能な分光器を持つジェームズウェッブ宇宙望遠鏡は、遠方の深宇宙だけでなく、見た目の移動速度が速い太陽系内の天体を追跡して詳細な観測が行えることも強みにしていて、今回の研究結果はその能力が活かされた好例になりました。

研究では、“NIRCam”の面分光ユニット(IFU)モードによるエウロパの観測データを分析。
このモードでは、直径3128kmのエウロパに対して320km×320kmの解像度でスペクトル(光の波長ごとの強度分布)が得られます。

これにより、エウロパ表面のどこにどのような物質が存在するのかを、特定することを可能にしています。
ジェームズウェッブ宇宙望遠鏡の近赤外線カメラ“NIRCam”で観測したエウロパ(一番左)と、“NIRCam”の面分光ユニット(IFU)モードで観測したエウロパ(左から2~4番目)。特にタラ地域に二酸化炭素が集中して分布する様子が示されている。左から2番目と3番目は結晶質の二酸化炭素を示し、4番目は他の物質と混合し非結晶(アモルファス)な形態の二酸化炭素を示している。(Credit: NASA, ESA, CSA, G. Villanueva (NASA/GSFC), S. Trumbo (Cornell Univ.), A. Pagan (STScI))
ジェームズウェッブ宇宙望遠鏡の近赤外線カメラ“NIRCam”で観測したエウロパ(一番左)と、“NIRCam”の面分光ユニット(IFU)モードで観測したエウロパ(左から2~4番目)。特にタラ地域に二酸化炭素が集中して分布する様子が示されている。左から2番目と3番目は結晶質の二酸化炭素を示し、4番目は他の物質と混合し非結晶(アモルファス)な形態の二酸化炭素を示している。(Credit: NASA, ESA, CSA, G. Villanueva (NASA/GSFC), S. Trumbo (Cornell Univ.), A. Pagan (STScI))
エウロパは、2023年4月に打ち上げられたヨーロッパ宇宙機関の木星氷衛星探査機“JUICE”や、NASAが2024年10月の打ち上げを目指して準備を進めている探査ミッション“エウロパ・クリッパー(Europa Clipper)”の探査対象になっています。

今回の両チームによる研究成果は、“JUICE”や“エウロパ・クリッパー”のミッションにも活かされるはず。
エウロパの地下海に生命は存在するのでしょうか?
“JUICE”や“エウロパ・クリッパー”が、新たな知見をもたらしてくれるかもしれませんね。


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