水星の地下にはダイヤモンドの層があるかもしれない：研究者

新たな研究によると、太陽系最小の惑星であり、太陽に最も近い水星の表面の下には、最大18キロメートル（11マイル）の厚さのダイヤモンドの層が隠れている可能性があるという。

ダイヤモンドは、水星自体が約45億年前に惑星に合体した直後に形成された可能性がある。 高圧高温環境のるつぼの中で、塵とガスの渦巻く雲から誕生した。このとき、誕生したばかりの惑星は、深いマグマの海の上に浮かぶグラファイトの地殻を持っていたと考えられている。

研究者チームは、通常は極度の圧力下での物質の挙動を研究するために使用されるが、合成ダイヤモンドの製造にも使用されるアンビルプレスと呼ばれる機械を使用して、実験でその焼けつくような環境を再現した。

「これは巨大な圧力装置で、水星のマントルの奥深く、マントルと核の境界で予想されるのと同じ高圧・高温に小さなサンプルをさらすことができる」と、ベルギーのリエージュ大学地質学部長で、今回の研究結果を報告した論文の共著者であるベルナール・シャルリエ氏は述べた。

研究チームは、シリコン、チタン、マグネシウム、アルミニウムなどの合成元素の混合物をグラファイトカプセルの中に入れ、初期の水星内部の理論上の組成を模倣した。その後、研究者らはカプセルを地球表面の約7万倍の圧力と最高2,000℃（華氏3,630度）の温度にさらし、数十億年前の水星の中心核付近にあったと思われる条件を再現した。

サンプルが溶けた後、科学者たちは電子顕微鏡で化学組成と鉱物組成の変化を観察し、グラファイトがダイヤモンド結晶に変化したことを確認した。

研究者らによると、このメカニズムは水星の表面下に隠された秘密についてより深い洞察を与えるだけでなく、惑星の進化や同様の特徴を持つ太陽系外惑星の内部構造についても洞察を与える可能性があるという。

謎の水星

水星は地球に次いで密度が高い惑星です。大きな金属核が水星の半径の 85% を占め、太陽系の地球型惑星の中で最も探査が進んでいません。最後に完了した水星探査ミッションは、NASA のメッセンジャーで、2011 年 3 月から 2015 年 4 月まで水星を周回しました。水星表面、宇宙環境、地球化学、測距ミッションとしても知られるこのミッションは、探査機が燃料切れで表面に衝突する前に、水星の地質、化学、磁場に関するデータを収集しました。

「水星の表面にはグラファイトの形で炭素が大量に存在することは分かっているが、水星内部についての研究はほとんど行われていない」と、北京の高圧科学技術先端研究センターのスタッフ科学者で、6月にネイチャー・コミュニケーションズ誌に掲載された研究論文の共著者であるヤンハオ・リン氏は述べた。

「月や火星と比べると、水星についてはほとんど何もわかっていません。水星の表面から採取したサンプルがないことも理由です」とシャリエ氏は言う。水星は他の地球型惑星と異なり、太陽に非常に近いため、その化学組成に影響を与える酸素量が非常に少ないと同氏は付け加えた。

メッセンジャーの発見の1つは、水星は炭素が豊富で、炭素の一種であるグラファイトが広範囲に存在するため、表面が灰色になっているという事実だ。ダイヤモンドも純粋な炭素でできており、特定の圧力と温度の条件下で形成される。研究者たちは、このプロセスが惑星の形成中に起こったかどうかを調べたかった。

リン、シャリエ、および同僚たちが水星形成直後の水星内部を模倣する実験を準備していたとき、これまでの研究で示されていたように水星にも硫黄が存在するという知識が重要な要素だった。「水星には硫黄が多く存在し、それがサンプルの融点を下げたため、地球とは条件が異なることがわかりました」とシャリエは語った。

「硫黄のないシステムに比べて、より低い温度で完全に溶けました。これはダイヤモンドの安定性にとって良いことです。ダイヤモンドは高圧と低温を好むからです。そして、これが主に私たちの実験が教えてくれることです。水星のマグマオーシャンは予想よりも冷たいのです。 「地球物理学的測定の再解釈から分かっているように、さらに深いところまで達している」と彼はメッセンジャーのデータにも言及して付け加えた。

研究によれば、これら2つの要因がダイヤモンドの形成を可能にするという。

表面にダイヤモンド？

シャリエ氏は、ダイヤモンド層の厚さは15～18キロメートル（9.3～11.1マイル）だが、これはあくまで推定値に過ぎず、水星の中心核が冷え続ける中でダイヤモンドの形成過程がまだ続いているため、変化する可能性があると警告している。

個々のダイヤモンドの大きさも分からない。「大きさは全く分かりませんが、ダイヤモンドは炭素だけでできているので、地球上で知られている組成と似ているはずです。純粋なダイヤモンドのように見えるはずです」と同氏は語った。

ダイヤモンドは採掘できるのだろうか？ シャルリエ氏によると、ダイヤモンドは水深約500キロメートル（310マイル）の深さにあるため、将来さらに進歩した技術をもってしても採掘は不可能だという。「しかし、水星の表面にある溶岩の一部は、非常に深いマントルが溶けてできたものです。地球で起きていることと類似して、このプロセスによってダイヤモンドの一部が表面に出てくると考えるのは妥当です」とシャルリエ氏は述べた。

シャリエ氏は、このダイヤモンド形成プロセスは、我々の銀河系で発見されている太陽系外惑星のいくつかでも、その化学的性質が水星のように酸素が少ない場合、起こっている可能性があると説明した。「太陽系外惑星が水星より小さければ、核とマントルの境界が浅すぎて圧力が低すぎるため、ダイヤモンドの形成は妨げられます」と同氏は述べた。「しかし、水星と地球の間の大きさと低酸素の組み合わせは、ダイヤモンドを得るのに好ましい条件です。」

科学者たちはもうすぐもっと多くのことを知るかもしれない。2018年10月に打ち上げられた2機の宇宙船で構成されるベピコロンボと呼ばれるミッションは、一連の接近通過を行った後、2025年12月に水星の軌道に投入される予定だ。欧州宇宙機関と宇宙航空研究開発機構が主導するこのミッションは、軌道上から水星を調査し、その内部と特徴についてさらに多くのことを明らかにするだろう。

この協力は、探査機を他の惑星に送るために日常的に使用される「重力アシスト」操作を発明したイタリアの科学者ジュゼッペ・「ベピ」・コロンボにちなんで名付けられました。

「ベピコロンボは表面の炭素を特定し、定量化できる可能性があるが、表面にダイヤモンドがあるか、それともグラファイトが多いかということも特定できるだろう」とシャリエ氏は言う。「これはメッセンジャーでは不可能だった。測定もより正確になり、核マントル境界の深さをより正確に推定できるようになる。我々は再び仮説を検証できるようになるだろう」

重要な前進

NASAの水星探査機メッセンジャーの主任研究員で、ニューヨーク市コロンビア大学の上級研究員でもあるショーン・ソロモン氏は、これは「興味深い考え」だが、将来の水星探査で確認するのは困難だろうと述べた。「このようなダイヤモンド層は深く、比較的薄い」と同氏は電子メールで述べた。ソロモン氏はこの研究には関わっていない。

「最も有望な技術はおそらく地震学です。ダイヤモンド内の地震波の速度はマントル岩石や核物質内の速度よりもはるかに速いからです。しかし、地震測定には水星表面に1機以上の長寿命着陸機が必要です」とソロモン氏は述べた。現在水星到達が計画されている唯一のミッションであるベピコロンボには当初着陸機が含まれていたが、予算の制約により削減された。

カリフォルニア大学バークレー校地球惑星科学部の理論物理学者フェリペ・ゴンザレス氏（同氏もこの研究には関わっていない）は、この研究は惑星内部とその形成・進化の理解において重要な一歩となると述べた。また、このような学際的な研究が、今日の科学が直面している複雑な問題に対処する鍵を握っているとも考えている。

ゴンザレス氏は、このダイヤモンド層が形成されるメカニズムは妥当だと付け加えたが、それは依然として水星内部に関する私たちの仮定に大きく依存している。「この惑星を深く研究する中で、長年にわたって非常に良い制約が課されてきたが、モデルや実験でその組成を推測できるのは間接的な測定からだけだ」と、同氏は電子メールで述べた。

「しかし、この研究は、現在私たちが持っているものからできる最善の成果です」とゴンザレス氏は言う。「これらの予測が正しかったかどうかは、水星への将来のミッションでのみわかるでしょう。今のところは、研究室でより多くの、より良いシミュレーションと実験を実施することで、これらの極限状態における材料の理解を深めることに集中できます。」