科学者らが月の希薄な大気の起源を解明 | MIT ニュース

月には呼吸できる空気はないが、かろうじて大気は存在している。1980 年代から、天文学者たちは月の表面で跳ね回る非常に薄い原子層を観察してきた。この繊細な大気 (専門的には「外気圏」と呼ばれる) は、宇宙風化の産物である可能性が高い。しかし、そのプロセスが正確にどのようなものであるかを確実に突き止めることは困難だった。

現在、MITとシカゴ大学の科学者たちは、月の大気を形成し、現在もそれを維持している主なプロセスを特定したと発表している。 今日発表された研究 科学の進歩研究チームは、月の大気は主に「衝突による蒸発」によって生成されたものだと報告している。

研究チームは、NASA のアポロ計画で宇宙飛行士が採取した月の土壌サンプルを分析した。分析によると、月は 45 億年の歴史があり、その表面は最初は巨大な隕石、その後最近ではより小さな塵サイズの「微小隕石」によって継続的に衝突されてきた。こうした絶え間ない衝突によって月の土壌が巻き上げられ、接触した特定の原子が蒸発して粒子が空中に舞い上がった。一部の原子は宇宙に放出され、他の原子は月の上に浮遊したまま希薄な大気を形成し、隕石が表面に降り注ぎ続けるにつれて大気は絶えず補充される。

研究者らは、衝突蒸発が月が数十億年にわたって極めて薄い大気を生成し維持してきた主なプロセスであることを発見した。

「隕石衝突による蒸発が月の大気を形成する主なプロセスであるという明確な答えが得られた」と、研究の筆頭著者でMIT地球大気惑星科学部の助教授ニコール・ニー氏は語る。「月は45億年近くも昔から存在し、その間ずっと表面は隕石の衝突を受け続けてきた。月全体で小さな衝突が起こり、大気が継続的に補充されるため、薄い大気が最終的に安定状態に達することを私たちは示している」

Nie 氏の共著者は、シカゴ大学の Nicolas Dauphas、Zhe Zhang、Timo Hopp、および NASA ゴダード宇宙飛行センターの Menelaos Sarantos 氏です。

ウェザリングの役割

2013 年、NASA は詳細な大気の調査を行うために月周回衛星を送りました。月大気・塵環境探査機 (LADEE、「ラディー」と発音) は、月の薄い大気、表面の状態、月の塵に対する環境の影響に関する情報を遠隔で収集する任務を負っていました。

LADEE のミッションは、月の大気の起源を解明するために設計されました。科学者たちは、探査機による土壌と大気の組成の遠隔測定が、特定の宇宙風化プロセスと相関し、月の大気がどのように形成されたかを説明できるのではないかと期待していました。

研究者たちは、月の大気の形成には、衝突蒸発と「イオンスパッタリング」という 2 つの宇宙風化プロセスが関係していると考えている。イオンスパッタリングは、太陽から宇宙空間に高エネルギーの荷電粒子を運ぶ太陽風に関連する現象である。これらの粒子が月の表面に衝突すると、そのエネルギーが土壌の原子に伝わり、原子が飛び散って空中に飛び散る可能性がある。

「LADEE のデータに基づくと、両方のプロセスが役割を果たしているようです」と Nie 氏は言います。「たとえば、隕石の雨が降っている間は大気中の原子が多くなり、衝突が影響していることがわかります。しかし、日食のときのように月が太陽から遮られているときも大気中の原子に変化があり、太陽も影響を与えていることが示されています。したがって、結果は明確でも定量的でもありませんでした。」

土の中にある答え

月の大気の起源をより正確に突き止めるため、ニー氏はNASAのアポロ計画で宇宙飛行士が採取した月の土壌サンプルを調べた。彼女とシカゴ大学の同僚は月の土壌サンプルを10個採取したが、それぞれの量は約100ミリグラムで、雨粒1つ分に収まるほどの微量だとニー氏は見積もっている。

ニーはまず、各サンプルからカリウムとルビジウムという 2 つの元素を分離しようとしました。どちらの元素も「揮発性」で、衝撃やイオンのスパッタリングによって簡単に蒸発します。各元素は複数の同位体の形で存在します。同位体とは、同じ元素のバリエーションで、陽子の数は同じですが、中性子の数がわずかに異なります。たとえば、カリウムは 3 つの同位体のいずれかとして存在し、それぞれが中性子を 1 つ多く持ち、前のものよりわずかに重くなります。同様に、ルビジウムの同位体は 2 つあります。

研究チームは、月の大気が気化して空気中に浮遊している原子で構成されているとすれば、それらの原子の軽い同位体はより容易に吹き飛ばされ、重い同位体は土壌に戻って定着する可能性が高いと推論した。さらに、科学者らは、衝突による気化とイオンのスパッタリングにより、土壌中の同位体比率が大きく異なるはずだと予測している。土壌に残るカリウムとルビジウムの軽い同位体と重い同位体の具体的な比率から、月の大気の起源に寄与する主なプロセスが明らかになるはずだ。

これらすべてを念頭に置き、ニー氏はまず土壌を細かく砕いて粉末にし、その粉末を酸に溶かしてカリウムとルビジウムを含む溶液を精製・分離し、アポロのサンプルを分析した。その後、これらの溶液を質量分析計に通して、各サンプルに含まれるカリウムとルビジウムのさまざまな同位体を測定した。

最終的に、研究チームは土壌にカリウムとルビジウムの重い同位体が主に含まれていることを発見した。研究者らはカリウムとルビジウムの重い同位体と軽い同位体の比率を定量化し、両元素を比較することで、衝突による蒸発が、原子が蒸発して吹き飛ばされ、月の大気を形成する主なプロセスである可能性が高いことを突き止めた。

「衝突蒸発の場合、原子の大半は月の大気中に留まりますが、イオンスパッタリングの場合、多くの原子が宇宙に放出されます」とニー氏は言う。「私たちの研究から、両方のプロセスの役割を定量化できるようになりました。衝突蒸発とイオンスパッタリングの相対的な寄与は約 70:30 以上であると言えます。」言い換えれば、月の大気の 70 パーセント以上は隕石の衝突によるもので、残りの 30 パーセントは太陽風の結果です。

「カリウムとルビジウムの同位体の測定と慎重な定量的モデリングを組み合わせるという革新的なアイデアのおかげで、このような微妙な効果を発見できたことは注目に値します」と、この研究には関わっていないケンブリッジ大学で月の土壌を研究する博士研究員のジャスティン・フー氏は言う。「この発見は月の歴史を理解する以上のものです。なぜなら、このようなプロセスは、計画されている多くの帰還ミッションの焦点である他の月や小惑星でも起こり得るし、より重要になる可能性があるからです。」

「アポロのサンプルがなければ、正確なデータを取得したり、定量的に測定して物事をより詳細に理解したりすることはできなかったでしょう」とニー氏は言う。「太陽系の形成と進化についてより明確な図を描くために、月や他の惑星からサンプルを持ち帰ることは私たちにとって重要です。」

この研究は、NASA と国立科学財団によって部分的に支援されました。