火星に水が豊富に存在した歴史を示す新たな証拠



newscenter.lbl.govより

バークレー研究所の研究、衝撃実験により火星隕石から発見された鉱物が古代の豊富な水を知る手がかりとなる可能性があることが判明

エネルギー省のローレンス・バークレー国立研究所(バークレーラボ)で行われた火星隕石のシミュレーション研究によると、火星はこれまで考えられていたよりも湿潤な場所であった可能性があることが明らかになりました。

Nature Communications誌に本日発表された(2017年)研究では、火星隕石に含まれる鉱物が、火星の古代乾燥環境の証拠と考えられていましたが、もともとは水素を含む鉱物であった可能性を見出し、赤い惑星がより水に富む歴史であったことを示すことができました。

この研究で国際研究チームを率いたネバダ大学ラスベガス校(UNLV)の科学者たちは、ホワイトロッカイトと呼ばれる水素含有鉱物の合成版を作製した。

ホワイトロッカイトのサンプルを使って、隕石が放出されたときの状態を模擬した衝撃圧縮実験を行った結果

火星から放出された隕石の状態を模擬した衝撃圧縮実験を行った後、バークレー研究所のAdvanced Light Source(ALS)とアルゴンヌ国立研究所のAdvanced Photon Source(APS)でX線実験を行い、微視的な構造を調査した。

X線実験の結果、ホワイトロカイトはこのような衝撃で脱水し、メリライトという火星隕石によく含まれるが、地球上では天然には存在しない鉱物を形成することがわかった。


カナダのロイヤル・オンタリオ博物館に展示されている、地球上でも珍しい鉱物「ホワイトロッカイト」の自然結晶。(出典: ウィキメディア・コモンズ)

「これは、火星にどれくらいの水が存在したのか、また、その水が彗星や隕石ではなく、火星そのものから来たものなのかを推論する上で重要です」と、バークレー研究所ALSのスタッフ科学者で、衝撃を受けたホワイトロッカイト試料のX線研究に参加したマーティン・クンツ氏は言う。


バイキング・オービターの約1,000枚の画像から作成された火星の画像。(出典:NASAジェット推進研究所、米国地質調査所)。

「メリライトの一部でも以前はホワイトロッカイトであったとすれば、火星の水収支は劇的に変化します」と、UNLVの地球科学科の研究教授で、UNLVの助教授クリストファー・アドコックと共同で研究を行ったオリバー・ツァウナー氏は語った。

また、ホワイトロッカイトは水に溶けることができ、地球上の生命にとって必須元素であるリンを含んでいる。そしてメリライトは多くの火星隕石に共通して含まれているようなので、この研究は火星での生命の可能性にも影響を与えるかもしれない。

「火星の水とその初期の歴史に関する包括的な疑問です。火星に生命の誕生を可能にする環境があったのでしょうか?とツァウナーは言った。


このアニメーションは、火星のヘールクレーターの中で、暖かい季節に黒い筋が斜面を進む場所をフライ・アラウンドでシミュレートしたもので、おそらく液体の水が関与していると考えられる。縞模様はおよそフットボール場の長さである。(出典:NASA JPL)
▼動画は以下
https://www.youtube.com/watch?v=MDb3UZPoTpc

衝撃実験で発生した圧力と温度は、隕石衝突の圧力と温度に匹敵するが、持続時間は約1000億分の1秒と、実際の隕石衝突の10分の1から100分の1に過ぎない。

実験室で作成した条件下では、メリライトへの変換が部分的にでも見られたことから、より長い時間の衝突があれば、メリライトへの「ほぼ完全な変換」が行われた可能性が高いとツァウナー教授は述べた。

さらに、今回の研究は、地球上では希少な人工ホワイトロッカイトに対する衝撃の影響を詳細に調べた初めての研究であるとも付け加えた。

研究者たちは、ガス加圧砲から発射された金属板で、秒速約0.5マイル(時速約1,678マイル─2,685Km)の速度と、バスケットボール内の空気圧の最大約36万3千倍の圧力で、人工ホワイトロッカイト試料を爆発させました。

「火星の重力から逃れるのに十分な速度で物質を加速させるには、非常に激しい衝撃が必要です」と、ツァウナーは言います。


NASAのマーズ・リコネイサンス・オービターに搭載されたHIRISEカメラが作成したレンダリング画像で、地球上で発見された火星隕石の一部の起源と考えられている火星のモハベ・クレーターの写真。(出典:NASA JPL-Caltech、アリゾナ大学)

バークレー研究所のALSでは、X線回折という手法で衝撃を受けたホワイトロッカイト試料の微視的構造を調べるためにX線ビームを用いた。この手法により、研究者は衝撃を受けた試料中のメリライトとホワイトロッカイトを区別することができた。


衝撃を受けたホワイトロッカイト試料の蛍光X線マップ。赤はホワイトロッカイトとメリライトの濃度を示している。(出典:アルゴンヌ国立研究所)

アルゴンヌ研究所のAPSで行われた別のX線実験では、金属板が衝突した部位で最大36%のホワイトロッカイトがメリライトに変化しており、ホワイトロッカイトのメリライトへの変化には圧縮よりも衝撃で発生する加熱が最も大きく関与している可能性があることがわかった。

また、火星に生命が存在したことが科学的に証明されてはいないが、現在の火星には液体の水が流れている証拠もある。2013年、惑星科学者たちは、火星の斜面に現れる黒っぽい筋は、気温の変化による周期的な水の流れに関係している可能性が高いことを報告した。彼らはNASAのマーズ・リコネイサンス・オービターのデータに基づいて分析した。


このレンダリング画像に写っている火星のヘールクレーター内の暗く細い100mほどの筋は、デジタル地形モデル上に描かれたこのフォールスカラー画像に流れる水によって形成されたと推定されている。(出典:NASA JPL、アリゾナ大学)

そして2016年11月、NASAの科学者たちは、火星のある地域にある大規模な地下の水の氷には、五大湖の中で最大のスペリオル湖の全水量に相当する水が含まれていると報告しました。ローバーによる探査では、地表の岩石の分析に基づき、かつて水が豊富にあった証拠も見つかっています。


キュリオシティ探査機のマストカメラによる画像のモザイクは、火星に古代の湖や川の堆積物の証拠を示している。(出典:NASA JPL-Caltech, MSSS)

「今、唯一欠けているリンクは、(メリライトが)実際に、以前は火星のホワイトロッカイトであったことを証明することです」とツァウナーは言いました。「我々は、本物の隕石に戻り、水の痕跡があったかどうかを確認しなければなりません。」 と、ツァウナーは言いました。

アドコックとツァウナーは、実際の火星隕石サンプルを研究するために、ALSで赤外線を使ったもう一つの研究を進めており、今年、これらの実際のサンプルのX線研究も計画中です。


火星から来たとされるメリライトを含む隕石。縮尺は一辺が1cmの立方体。(出典:Norbert Brügge)

地球上で発見された多くの火星隕石は、約1億5000万年前から5億8600万年前の時代のもので、そのほとんどは火星の同じ地域から来たものと思われる。これらの隕石は、宇宙へ送り出された最初の衝撃によって地表から約1キロメートルの深さから掘り出されたもので、火星表面のより新しい地質を代表するものではないと、ツァウナーは説明する。

「これらのほとんどは、岩石の組成や存在する鉱物が非常に似ており、衝突年代も似ています」と彼は言う。火星は約46億年前に形成された可能性が高く、これは地球や他の太陽系とほぼ同じ時期である。

火星隕石をより詳細に研究し、火星周回衛星から撮影した熱画像や、火星表面を走行するローバーで岩石サンプルを分析したとしても、火星の水の歴史を証明する最善の証拠は、火星から採取した実際の岩石をそのまま地球に持ち帰って詳細に研究することだと研究者は指摘した。

火星の水の歴史をより詳しく知るためには、火星の隕石のように「蹴られていない(つまり衝突によって飛ばされた岩石ではなく)」岩石を入手することが本当に重要なのだ、とクンツ教授は語った。

Advanced Light SourceとAdvanced Photon Sourceは、DOE Office of Scienceのユーザー施設である。

この研究には、シカゴ大学とカーネギー・ワシントン研究所の研究者も参加している。本研究は、DOE国家核安全保障局、NASA、米国国立科学財団の支援を受けて行われました。

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ローレンスバークレー国立研究所は、持続可能なエネルギーの開発、人々の健康の保護、新素材の開発、宇宙の起源と運命の解明など、世界で最も緊急な科学的課題に取り組んでいます。1931年に設立されたバークレー研究所は、その科学的専門性が認められ、これまでに13のノーベル賞を受賞しています。カリフォルニア大学は、米国エネルギー省の科学局のためにバークレーラボを管理しています。詳しくは、www.lbl.gov をご覧ください。

DOEの科学局は、米国における物理科学の基礎研究に対する唯一最大の支援機関であり、現代における最も差し迫った課題の解決に取り組んでいます。詳細については、science.energy.govをご覧ください。

https://newscenter.lbl.gov/2017/03/06/new-evidence-water-rich-mars/
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