なぜ、月は表側と裏側で地質的に非対称なのか？ “海”と呼ばれる領域が火山活動を活発にさせていたようです。

なぜ月の裏側には、“海”と呼ばれる色が濃い領域はないのでしょうか?
今回の研究で明らかになったのは、表側の“海”に濃集している“KREEP”により、岩石が溶融するのに必要な温度が下がることでした。
これにより、月の表側での初期火山活動は、これまでの想定より4～13倍も活発になり、月の表裏の違いを増幅させていたようです。


月は火星サイズの天体が地球に衝突してできた

45億年前に、火星サイズの天体“テイア”が原始の地球に衝突。
この衝突から生まれた破片が、かなり急速（おそらく数百万年強の間）に分離し、地球と月を形成したと考えられています。

大きい方は地球になり、大気と海のある地質学的に活発な惑星になるのにちょうどよい大きさと環境へと進化。
小さい方が月になるのですが、こちらには地球のような特性を保持するのに十分な質量はありませんでした。

一方、数十年にわたる月の観測と調査から分かってきたのは、月の歴史は思っていたよりもはるかに活発で、直近では10億年前に火山活動や磁気活動があったということでした。


表側と裏側で特徴が異なる月の表面

月は自転周期と公転周期が一致しているので、地上から見上げると常に同じ“表側”の面が見えていて、色が薄い部分と“海”と呼ばれる色が濃い部分があることが分かっています。

一方、探査機の画像でしか見ることができない“裏側”の面は、表側に広くみられる色が濃い部分がほとんど存在してないんですねー

太陽に照らされた月の裏側と地球。NASAの人工衛星“DSCOVER”が2015年に撮影。（Credit: NASA/NOAA）

NASAのアポロ計画により持ち帰られた大量の月の石（382kg）から分かっているのは、色の濃い部分は化学組成が特徴的であり、火山活動に起因するものだということでした。

この色の濃い部分はカリウム（K）、希土類元素（REE）、リン（P）を豊富に含む岩石で、この特徴から“KREEP”と名付けられています。


月の表側は火山活動が活発だった

なぜ、火山活動とこの“KREEP”の特徴が月の表側だけにあり、裏側にはほとんど存在しないのかは、いまだに謎のままです。

今回の研究では、観測や室内実験、モデリングを組み合わせて、月が形成された時点で存在した非対称性が、その後も数十億年にわたって月の表裏における地質活動の違いを増幅させていたことを明らかにしています。

“KREEP”はカリウム、ナトリウム、ウランといった放射性元素を多く含んでいます。
これらの元素が放射性崩壊を起こす際に発生する熱、それがマグマを作る可能性があることを過去の研究で指摘されていました。

ただ、これだけでは月の表側全体で火山活動が盛んになった原因を説明するには不十分でした。

そこで研究チームは実験により、岩石に“KREEP”が含まれることで岩石が溶融するのに必要な温度が下がることを突き止めます。
これを考慮に入れれば、放射性崩壊だけを考慮したこれまでの想定よりも、火山活動が4～13倍も活発になる事も示されました。

ほとんどの溶岩流は月の初期段階で生じています。
なので、この結果は月の進化のタイミングや、月で生じた様々な地質現象の順序にも制約を与えることになります。

NASAの月探査ミッション“ルナ・プロスペクター”で観測された月表面のトリウム濃度。トリウム濃度と熱源になる外の放射性元素の濃度には強い相関があり、月面の表側に濃集している。この濃集地域と月の歴史で観測される特徴との関係は、月の科学において重要になる。（Credit: Laneuville, M. et al (2013) Journal of Geophysical Research: Planets.）

浸食の影響が極めて少ない月面では、太陽系初期段階からの地質学的記録を残しています。

特に、表側にある領域には、月の他の場所とは異なりウランやトリウムなどの放射性元素が農集しています。
このような局部的な農集の原因を理解できれば、月形成初期段階の解明に役立ち、その結果、原始地球環境の解明にもつながっていきます。

今回の研究結果が示唆しているのは、およそ45億年前に月が形成されて以来、高濃度の“KREEP”成分を含む領域が月の進化に影響を与えてきたことでした。

このような地質的な非対称性が時間とともに増幅された証拠は、太陽系の他の衛星でも発見される可能性はあります。
もし発見することができれば、地質的な非対称性や初期段階の惑星と衛星の解明に役立つはずです。


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月と水星の浅いクレーターの地下には厚い氷の堆積物が埋まっている？

月と水星のクレーターの観測データを新たに解析してみると、この2つの天体の極域に大量の氷が存在する可能性が示されました。
極域にあるクレーターの内部には太陽光が全く当たらない影の部分があり、氷はそこに隠されているそうです。


クレーター内部にある太陽光が全く当たらない場所

意外な気がしますが、月と水星の極域は太陽系の中で最も温度が低い場所の一つなんですねー

地球の自転の傾き23.4度に対して、月は5.1度、水星が7度と小さいので、月や水星の極域では太陽は高く昇ることがなく、クレーターの内部には太陽光が全く当たらない“永久影”もあります。

“永久影”は極めて低温なので、何らかの原因でここに溜まった水の氷は数十億年にわたって残ると考えられています。

月の南極域のイメージ図。太陽光が当たらないクレーターの永久影に水の氷（青色）が大量に堆積しているのかも。

水星の場合、地球からのレーダー観測により、厚くてほぼ純粋な水の氷の特徴を示す信号がとらえられています。
こうした氷の堆積物の証拠は、NASAの水星探査機“メッセンジャー”でも得られていました。

一方、月の極地方も熱環境は水星の極域とよく似ているのですが、まばらで薄い氷堆積物しか見つかっていません。

“メッセンジャー”の観測で明らかになったのは、水星の両極域には水の氷を主成分とする堆積物が広い範囲に分布していること。
さらに、月の氷のようにまばらな分布ではなく、年代も月より新しくて、過去数千万年以内にとどまったもののようです。
　　水星に大量の“水の氷”
　　　　

浅いクレーターの地下にあるもの

こうした月と水星の氷の違いについて、今回の研究では両方の天体にある衝突クレーターに着目。
分析を進めたのはカリフォルニア大学ロサンゼルス校の研究チームでした。

大気をほぼ持たない月と水星の表面にはたくさんの衝突クレーターが残されています。
その中でも、直径が小さい“単純クレーター”と呼ばれるタイプのクレーターが分析されました。

“単純クレーター”はエネルギーの小さな衝突でできたもの。
天体の表面に積もっているチリ（レゴリス）の層の強度によって形が保たれています。
大きなクレーターのような中央丘や台地を持たず、円に近い対象な形をしていて、断面も単純なお椀型なのが特徴です。

分析に用いたのは、NASAの月探査機“ルナー・リコナサンス・オービター”と“メッセンジャー”で得ていた高度データ。
水星のクレーター約2,000個と月のクレーター12,000個から、深さと直系の比率が調べられました。
　　調べたクレーターの直径は、2.5キロから15キロまでの範囲にわたっていた。

その結果分かったのは、水星の北極域や月の南極域の単純クレーターは、他の領域に比べて深さが最大で10％ほど浅いこと。
ただ、月の北極域ではこうした傾向はみられませんでした。

なぜ、過去に水の氷が検出されている月の南極域に、浅いクレーターが多く存在しているのでしょうか？
これらのクレーターの地下に、未発見の厚い氷の堆積物が埋まっている可能性が高いことを示唆しているのかもしれません。

また、クレーターの斜面の角度を比べて分かったのが、極側に面している斜面の方が赤道側に面している斜面よりもわずかに傾きが小さいこと。
極に対面する斜面の方がより太陽光が当たりにくいので、氷堆積物が残って傾きが緩くなっていると考えることができます。

ほぼ純粋な氷が見つかっている水星と違い、月で検出されている氷はレゴリスと混ざった地層を作っていると考えられています。

今回研究チームが調べた“単純クレーター”の年代から考えられるのは、クレーターの内部に水の氷が溜まった後、氷の上に降り積もったレゴリスが長い時間をかけて氷と混ざったということ。

また、浅いクレーターの分布が、過去に月や水星の表面で氷が見つかっている場所と相関があることも分かりました。

ひょっとすると、これまでの探査で検出された月と水星表面の氷は、地下の氷が掘り出されたか、あるいは地下深くから水分子が拡散して表面に出てきたものかもしれませんね。


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これまでの説より1億年も早い？ 月が冷えて固まり始めたのは太陽系の誕生から5000万年後だった

アポロ計画で採取された月のサンプルの組成分析から分かってきたこと。
それは、月の形成時期が45億1000万年前だということでした。
これまでの説よりも1億年も古い時期に月は誕生したようです。


太陽系初期の歴史や地球と月の形成に関する情報源

今から50年前の1969年7月21日（日本時間）、アポロ11号が月面着陸を果たし、人類は初めて月にその一歩を印しました。

宇宙飛行士アームストロングとオルドリンは数時間の月面滞在の間に21.55キロのサンプルを集め、そのサンプルを地球へ持ち帰ってきます 。

その後、17号まで続いたアポロ計画で地球へ持ち帰られた月のサンプルは合計380キロ以上。
そのサンプルは50年たった今でも、太陽系初期の歴史や地球、月の形成に関する研究の情報源になっているんですねー

アポロ12号によって持ち替えられた月のサンプルの一部。

月を形成する元になった巨大衝突

今回の研究を進めているのはドイツ・ケルン大学のチーム。
月のサンプルの分析から形成された年代を探っています。

月は巨大衝突“ジャイアントインパクト”と呼ばれる天体衝突で作られたとする説が有力です。
　　天体の衝突で地球はほぼ蒸発… そして月ができたようです。
　　　　

この説によれば、火星サイズの天体“テイア”が形成初期の地球に衝突し、飛び散った物質が重力によって集積して月ができたと考えられています。

誕生したばかりの月は表面のほとんどが解けていて、マグマの海に覆われた状態でしたが、冷えるにつれて様々な種類の岩石になっていきます。

巨大衝突“ジャイアントインパクト”のイメージ図。

月が冷えて固まり始めたのは太陽系の誕生から5000万年後だった

研究チームが調べたのは、月のサンプルに含まれる希少元素であるハフニウム、ウラン、タングステンの関係から、月面の黒い領域を構成する玄武岩を生成するもとになったマグマの融解の様子でした。

特にハフニウムとタングステンについて、サンプルの情報と実験室での情報とを合わせて分かってきたのは、月は太陽系の誕生から5000万年後には冷えて固まり始めたこと。

これまでの研究では、月が形成されたのは今から約44億年1000万年前であり、太陽系形成（すなわち地球の形成）から約1億5000万年後と見積もられていました。

でも、今回の研究では、それを1億年もさかのぼり、月は約45億1000万年前に誕生したと結論付けているんですねー

月の年齢を決定することは、月がどのように形成されたのかだけでなく、地球の形成年代や太陽系形成初期に地球がどのように進化してきたのかを知る上で重要なことになります。

人類が月という地球以外の世界への第一歩を刻んでからちょうど50年。
この節目に、地球に持ち帰られたサンプルによって、月の進化に関する新しい情報がもたらされました。

地球の形成後、最後に起こった惑星規模の大きな現象は月の形成です。
今回の研究結果が正しく、月が約45億1000万年前に誕生したのなら、地球の年齢が最低何歳なのかも分かってくるはずですよ。


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月の南極域を調べる世界初の探査機、インドの“チャンドラヤーン2号”が打ち上げに成功！

インド宇宙研究機関が7月22日に月探査機“チャンドラヤーン2号”の打ち上げに成功しました。
月への着陸は9月上旬になるようです。


月への軟着陸は成功すれば世界で4番目

7月22日18時13分（日本時間）。インドのサティシュ・ダワン宇宙センターから“GSLV-Mｋ III”ロケットで、月探査機“チャンドラヤーン2号”が打ち上げられました。

当初の打ち上げ予定は7月15日。直前でヘリウムガス漏れとみられる不具合が見つかり打ち上げは延期されていました。

“GSLV-Mｋ III”ロケットにより打ち上げられる“チャンドラヤーン2号”

ロケットは正常に飛行し、打ち上げから約20分後、予定の軌道に達したため探査機はロケットから切り離され、打ち上げは成功。
探査機の切り離し直後までの様子は、ロケットに搭載されていたカメラにもはっきりととらえられていたそうです。

その後、“チャンドラヤーン2号”は約1か月かけて月を目指し、月周回軌道に入るのは8月下旬。

9月7日には着陸機“ヴィクラム”が月への軟着陸を実施。
月の南緯70度付近にある2つのクレーター“マンチヌスC”と“シンペリウスN”の間の大地が着陸地点になります。
　　着陸機“ヴィクラム”の名前は、
　　インド宇宙工学の父と呼ばれる物理学者でインド宇宙研究機関の初代所長の
　　“ヴィクラム・サラバイ”に由来している。

軟着陸に成功すれば、旧ソ連、アメリカ、中国に次いで世界で4番目の成功になるんですねー

着陸すると“ヴィクラム”に搭載されていた探査車“プラギャン”が送り出されます。
　　“プラギャン”はサンスクリット語で知恵や英知の意味。

“ヴィクラム”と“プラギャン”は、月面上の昼1日（地球の約14日間）をかけて、着陸地点付近の月面を調査。
一方で周回機は、上空100キロから約1年にわたって探査を行います。

着陸機“ヴィクラム”と探査車“プラギャン”

水に関する新しい発見に期待

“チャンドラヤーン2号”のミッションでは、地形や月震、鉱物の同定と分布、地表の化学組成、表土の熱物理学的な特性、月の薄い大気組成を調べるための観測機器が準備されています。

これらの機器により、月の表面近傍のプラズマ環境や月震活動の測定、水分子の分布などが調査される予定です。

特に水に関しては、月の南極が注目の領域になります。

南極には太陽光がずっと当たらない影のままの領域（永久影）が北極よりも多くあり、その周りに水が存在している可能性があります。

2008年に打ち上げられた探査機“チャンドラヤーン1号”によって、月面に水分子が存在する証拠が発見されています。

その水の起源に迫るためには、月面や表面下、外気圏（ごく薄い大気の層）における水分子の分布範囲を詳しく調べる必要があり、“チャンドラヤーン2号”による観測データから手掛かりが得られるかもしれません。

また、南極域には“コールド・トラップ”と呼ばれるクレーターが存在しています。

“コールド・トラップ”では、クレーター内に堆積した氷が上空の大気を冷却して冷たい空気の層を形成。
この冷たい大気の層が遮蔽物のようになることで、クレーター内の氷を安定した状態に保っています。
太陽系初期の歴史が、このクレーター内に化石のように残されていると考えられているんですねー

月の南極域を調べる世界初の探査機になる“チャンドラヤーン2号”。
インドだけでなく、世界もこのミッションに注目しているはずです。
月よりも遠い天体を目指す将来のミッションを推進する発見（水に関する発見とか…）があるといいですね。


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地球と月の成分構成がほぼ同じなのはなぜ？ 月の誕生には地球のマグマオーシャンが関わっているから

月はどうやって誕生したのでしょうか？
これまで月が形成される起源については、いくつかの仮説が提唱されてきました。

有力なのは、地球に火星くらいの大きさの天体“テイア”が斜めに衝突し、バラバラになった“テイア”と地球の一部がまとまって月になったという“ジャイアントインパクト説”。

ただ、この説は地球の一部と“テイア”から形成されたはずの月が、地球と成分が似すぎているという問題を抱えることに…

今回、この問題を解決するために“ジャイアントインパクト説”の数値シミュレーションを実施。
“テイア”との衝突が起こった際に、原始地球にマグマオーシャンが存在していれば問題の解決は可能なようです。

ジャイアントインパクト説

私たちにとって最も身近な天体の1つになる月は、太陽系の歴史の中でいつ頃どのように地球の衛星になったのでしょうか？

偶然地球の近くを通りかかったときに地球にとらえられた？
それとも、地球とほぼ同時に形成された？

まだ、はっきりとは分かっていませんが、最も有力と考えられているものに“ジャイアントインパクト（巨大衝突）説”があります。

この説によると、48億年ほど前の地球に火星サイズの天体“テイア”が衝突。
岩石は蒸発し地球の周りにばら撒かれ、やがて円盤状に原始地球を取り巻き、それらが重力によって集まり月になったとされています。

“ジャイアントインパクト説”だと地球と月の様々な特徴を説明することができるのですが、説明できない観測結果もあるんですねー

この説によると、月の成分の5分の1は地球の物質で、残る5分の4が衝突した天体の物質ということになります。
でも、実際にはそうならず…　アポロ計画で月から持ち帰られた岩石中の元素の同位体比が地球のものとほぼ一致。

そう、このことが意味しているのは、月を構成する岩石が元々地球のものだったということです。
このことは、ジャイアントインパクト説の支持者たちを長く困惑させてきた矛盾点でした。

衝突時にはマグマの海が地球の表面を覆っていた

今回、海洋研究開発機構の研究チームは、理論と観測の矛盾を解決する要素として地球のマグマオーシャンを提案。

マグマオーシャンとは、大昔の地球の表面を覆っていたとされるマグマの海のこと。
液体の岩石は、固体の岩石と性質が大きく異なるので、これまでのシミュレーションとは違った結果が予想されました。

研究チームでは、理化学研究所のスーパーコンピュータ“京”を用いて大規模な数値シミュレーションを実施。
巨大衝突の直後に形成される月の材料になる円盤の中で、原始地球由来の物質がどの程度の割合になるか？
また、その割合がマグマオーシャンの有無によりどの程度変わるのかを調べます。

その結果示されたのが、マグマオーシャンが衝突時の地球に存在していれば、そのマグマオーシャンが円盤の形成に大きく寄与すること。
衝突後、地球のマグマオーシャンからマグマが噴出して、原始地球由来の物質の割合が多い円盤構造が形成されるそうです。

この円盤から月が形成されるので、月に原始地球由来の物質が多くなるというわけです。

月の材料になる物質の質量とその起源の時間進化。 赤は原始地球のマグマオーシャン由来の成分、青は衝突した天体由来の成分、 グレーは原始地球および衝突した天体の金属コアの成分。

さらに、天体が地球に衝突する際の角度と速度を様々に変化させたシミュレーションも実施。
このシミューレーションからは、マグマオーシャンが存在していれば、円盤中における原始地球由来の物質の割合が約7割以上にもなることが示されます。

様々な衝突角度と衝突速度のシミュレーションで得られた円盤の質量と、 そのうちの原始地球からの物質の割合。 赤はマグマオーシャンが存在する場合、青は存在しない場合の結果。

これらの結果は、原始地球に巨大衝突が起こった際、原始地球にマグマオーシャンが存在していれば、地球と月の同位体比問題の解決が可能であることを示唆するものです。

“ジャイアントインパクト説”は、現在の地球と月を考える上で極めて重要な仮説であり、それを元に地球のその後の熱進化などが考えられてきました。

今回の計算結果は、これまで考えられてきた初期地球とは異なる結果をもたらすことになります。
なので、現在の地球がどのように形成されたかを知る上で、大きな手掛かりになると考えられるんですねー

また、巨大衝突は原始地球だけでなく太陽系内の他の惑星でも起こったと考えられているので、惑星の多様性を説明する上でも、今回の研究成果が役立つといいですね。


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