月のガラスに10億年が与えた影響

数十億年もの間、空気も流水もない屋外にガラスを放置したらどうなるのか。その疑問の答えは、月にある天然のガラスを研究することで見つけることができる。月には、地球の岩石や鉱物が通常風化する特徴が欠けているかもしれないが、だからといってこの衛星が完全に不活性になるわけではない。科学者は、放射線に長期間さらされると月の表面に痕跡が残ることを知っている。昨日、サイエンス・アドバンシズ誌に論文を発表した研究チームによると、新たな研究で、数十億年にわたる放射線への曝露が月のガラスを硬化させているようだと示唆されている。

月はガラスが見つかる場所としては明らかではないと思われるかもしれません。しかし、月の表土（月の表面を覆う岩石の破片やその他のゆるい物質）には、小さなガラスの球体が散在しています。隕石は絶えずこの物質に衝突し、それを溶かして小さな水たまりを作ります。溶けた表土が再び冷えると、ガラスに固まります。

ガラスは、窓を覆う脆くて透明な板に過ぎません。科学者たちは、ガラスは原子が特定の構造に収まることなく液体が急速に冷却された結果生じた物質であると考えています。そのため、科学者の中には、ガラスをそれ自体が独立した物質状態であると考える人もいます。

そして、月面でも、ガラスは数十億年も変化せずに残ることはない。月には地球のように岩石を風化させるほどの大きな大気も流水もないが、月面は地球の大気が通常遮断するもの、つまり放射線の影響を受ける。放射線の一部は太陽から来ており、一部ははるか遠くから宇宙線として到達する。いずれにせよ、数十億年にわたる放射線被曝により、影響は蓄積されていく。

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地質学者は長年、放射線が月の土壌にどのような影響を与えるかに興味を抱いてきた。「それについては20年分の研究が行われてきました」とアリゾナ州立大学の宇宙材料科学者で、この論文の著者ではないロンダ・ストラウド氏は言う。

その作業の多くは、模擬土と呼ばれる月の土の模造品を採取し、放射線にさらすことだった。しかし、膨大な量の土を研究しても、個々の物質粒子がどのように反応するかを知るのは難しいとストラウド氏は言う。「どんな小さな塵の粒子や1ミリメートル未満のガラス球でも、それ自身の年齢を持っている可能性があります」と彼女は言う。「物は埋もれ、レゴリスはかき混ぜられます。」

幸いなことに、地球には月探査ミッションで持ち帰ったサンプルの形で、実際の月のガラスが残っています。最近では、2020年11月に中国から打ち上げられ、1か月も経たないうちに3.81ポンドの土産物を積んで地球に帰還した嫦娥5号月着陸船に感謝することができます。嫦娥5号は、多くの衝突を経験した月面の場所には着陸しなかったため、結果として多くのガラスを持ち帰ることはありませんでした。

それでも、科学者たちは嫦娥5号の豊富な成果をふるいにかけ、それぞれが人間の髪の毛ほどの幅の5つの特定のガラス状粒子を選び出すことに成功した。彼らは各粒子を透過型電子顕微鏡で調べ、その構造を観察することができた。また、各粒子に小さなプローブを押し当て、粒子が力に対してどのように反応するかをテストすることができた。

研究者たちはその後、サンプルを華氏1100度以上の液体温度まで加熱し、1分間その温度に保った後、冷却することでサンプルを「若返らせた」。研究者たちは、若返らせたサンプルに対して同じ顕微鏡検査と圧力テストを繰り返し、数億年、あるいは数十億年もの間月面上に留まり放射線を浴びる前の粒子がどのような状態だったかを推定した。

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研究者たちは、エンジニアがヤング率と呼ぶ特性に劇的な変化があることを発見した。ヤング率は、物質が特定の長さだけ変形するのに必要な力の量を測るものである。研究者の再生したサンプルが何らかの指標であるならば、長期にわたる放射線曝露によってガラスのヤング率は最大 70 パーセント増加したことになる。より微妙なことに、放射線は一部の粒子を硬化させるようにも思われる。

これらの発見は、科学者が他の惑星の土壌でガラスがどのように反応するかを解明するのに役立つ可能性がある。また、研究チームは、地球上で製造されるガラスの反応を理解するのにも役立つ可能性があると考えている。

実際、この論文の著者らは、月のガラス自体が近いうちに役に立つかもしれないと考えている。彼らの構想では、月に住む人々は月の表土からガラスビーズをふるいにかけ、それを乗り物や住居に使えるガラスに変えるかもしれない。

しかし、このような研究が実際のインフラにどのように反映されるかは、まだ誰にとっても明らかではない。「太陽風からの放射は非常に遅い」とストラウド氏は言う。「何十億年も耐えられる材料は必要ないと思う」