火星環境大変動の謎

火星は希薄な大気しか持たない惑星です。その地表は平均気温約-60℃と極めて寒冷で、荒涼とした大地が広がっています。1965年に火星探査機マリナー4号がはじめて火星地表の写真を送ってきたとき、しばしば水の惑星と形容される地球と対比して、火星は“死の惑星”と表現されました。

ところが、その後アメリカを中心に行われてきた探査研究の成果として、数多くの流水地形や液体の水が存在した鉱物証拠が発見されてきました。これが意味することは、火星はかつて液体の水が安定に存在できるほど温暖な時代があった、ということです。火星をそれほど温暖に保つためには、厚い大気と温室効果ガスが必要です。厚い大気を失ったことが、かつて温暖であった火星が極寒の惑星へと変貌した原因ではないかと考えられてきました。

では火星はいつ、なぜ厚い大気を失ったのでしょうか？ 原因のひとつの可能性は、火星が地球の10分の1の質量しか持たず、低重力であることです。重力が小さいことは、大気が宇宙空間に流出しやすいことに繋がります。原因のもうひとつの可能性は、火星が磁場を持たない惑星であることです。磁場を持たない惑星の大気には太陽風が直接吹きつけるため、大気の宇宙空間への流出を引き起こします。私たちの研究グループでは、まず火星の厚い大気が“いつ”失われたかを解明することを目的とし、さらにはその結果から“なぜ”失われたかを推測することを試みました。

手がかりは“火星隕石”

失われた太古の火星大気への手がかりとして私たちが着目したものは、火星隕石と呼ばれる、天体衝突によって火星から飛び出し地球まで飛来した隕石です。これらの隕石は、含有ガスの化学組成や岩石の酸素同位体組成をもとに、火星からやってきたことがわかっています。探査研究と比較して、火星隕石を利用した研究は、その隕石が火星地表のどこからやってきたのかわからないという欠点があります。その一方で、実験室で詳細な化学分析ができるため、リモートの探査では知り得ない多くの情報を得ることができます。大気の組成は惑星全域でよく均質化されており地域性がないため、私たちの研究では火星隕石研究の利点のみを活かすことができます。

南極で発見された、アランヒルズ84001と名付けられた火星隕石は、詳細な化学分析により40億年前という非常に古い時代に形成されたことがわかっていました。さらに、当時の火星大気を岩石中にガスとして含有していることが過去の研究で報告されていました。今回の研究では、この含有ガスの同位体組成が40億年前の大気量を知る手がかりとなりました。

火星大気が宇宙空間に流出する時には、軽い同位体が優先的に流出することで、残る火星大気には重い同位体が濃集します。私たちは、さまざまな火星大気の時間変化シナリオに対してこの同位体組成の時間変化をシミュレートすることで、火星隕石アランヒルズ84001に記録された40億年前の大気の同位体組成を再現する条件を探りました。

宇宙空間へ流出する火星大気の模式図。軽い同位体（14Nなど）が優先的に流出することで、火星大気には重い同位体（15Nなど）が濃集する

厚い大気に覆われていた火星

その結果、40億年前の火星は、地表大気圧が約0.5気圧以上の厚い大気に覆われていたということがわかりました。現在の地球大気が1気圧なので、当時の火星は地球程度の厚い大気に覆われていたことになります。この0.5気圧という値はあくまで下限値であり、実際の火星大気はさらに分厚かった可能性があります。大気が分厚いほど、地表はより温暖になります。一方で、現在の火星は僅か0.006気圧の希薄な大気しか持っていません。すなわち、40億年前以降に火星大気の大部分が失われたことになります。

なぜ火星はかつて存在した厚い大気を失ったのでしょうか？ 現在の火星に残されている古い地殻が磁化していることから、火星は約40億年前に磁場を持っていたと推定されています。現時点では厚い大気を失った原因を特定することは難しいですが、磁場を失ったことが太陽風による大規模な大気の宇宙空間への流出を引き起こした可能性があります。現在、火星大気の流出過程を観測しているNASAの火星探査機MAVENによる最新の観測結果からも、これを支持する成果が得られつつあります。

横軸：火星誕生からの時間、縦軸：大気圧、棒グラフ：現在の大気圧及び本研究で明らかとなった40億年前の大気圧、点線：大気圧の時間変化（予想）。矢印：過去の研究の推定値
Kurokawa et al. (2018) Icarusのプレスリリース資料より

日本独自の火星探査に向けて

厚い大気に覆われ、地表には液体の水が存在した40億年前の火星では生命は誕生しなかったのでしょうか？ 地球では約40億年前にすでに生命が誕生していたことが地質学的な証拠からわかっています。将来の火星探査で、火星にかつて生命が存在した証拠が発見される可能性は十分にあります。さらに、ここ数年の大きな発見として、火星はかつて想像されていたような完全なる“死の惑星”ではなく、春や夏の比較的温暖な時期に地下から水が湧き出している地域があることがわかってきました。火星の極寒で乾いた地表の下には、現在でも生命が存在可能な環境が広がっているのかもしれません。

JAXAは2024年に火星衛星サンプルリターン機MMXを打ち上げる予定です。成功すれば日本で初めて人工衛星を火星軌道に投入して探査活動を行うことになると同時に、世界初の火星圏からのサンプルリターンとなります。そして、これに続くミッションとして、日本初の火星着陸探査の検討も始まっています。これらの日本独自の火星探査によって、火星環境の大変動の歴史や、生命誕生の有無を解明できると期待しています。

参考文献
Hiroyuki Kurokawa, Kosuke Kurosawa, Tomohiro Usui. A Lower Limit of Atmospheric Pressure on Early Mars Inferred from Nitrogen and Argon Isotopic Compositions, Icarus, Vol.299, 443-459, (2018).

この記事を書いた人

黒川宏之
黒川宏之
東京工業大学地球生命研究所・日本学術振興会特別研究員。惑星がどのように生まれ、その姿を変えていくのかを研究しています。カピバラが好き。https://members.elsi.jp/~hiro.kurokawa/