月は私たちが考えていたよりも4000万年古い

月は宇宙で最も近い隣人であり、人類が足を踏み入れた唯一の天体ですが、私たちはまだ月について学んでいます。実際、地球の月は科学者がこれまで考えていたよりも 4000 万年古い可能性があります。地球化学者と総合科学者のチームは、1972 年にアポロ宇宙飛行士が持ち帰った結晶を原子ごとに分析し、火成岩の球体が少なくとも 44 億 6000 万年前であると計算しました。この発見は、今日、Geochemical Perspectives Letters 誌に掲載された研究で説明されています。

絡み合う運命

月の表面から回収されたサンプルに基づいて、月は40億年以上前に、火星ほどの大きさの巨大な物体がまだ幼かった地球に衝突して形成されたことがわかっています。その衝突で分離した地球の最大の部分が月となり、それ以来ずっと太陽系と絡み合っています。

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「地球上の生命は月とともに進化し、月は地球上の生命に影響を与えています」と、研究の共著者で宇宙化学者のフィリップ・ヘック氏はPopSciに語った。「月は私たちにインスピレーションを与え、それが文化遺産に反映されていますが、地球の自転軸を安定させるなど、他の有益な効果もあります。」

ヘック氏はシカゴのフィールド博物館の隕石コレクションの学芸員であり、シカゴ大学の教授でもある。地形の違いから、月を研究することは地球の理解にも役立つと彼は言う。

「地球の表面は、火山活動や風化による地質活動が非常に活発なため、はるかに若いのです」とヘック氏は説明する。「月の表面は、本質的に太陽系のダイナミクスの記録です。これは地球にはない記録ですが、地球の進化は、太陽系の初期に起こったこれらの衝突と結びついています。」

歴史的視点

研究チームはこの研究で、アポロ17号の乗組員が持ち帰った月の塵を調べた。1972年の月面着陸にはNASAの地質学者ハリソン・シュミットも参加し、地球で研究するために複数の岩石を採取した。シュミットのサンプルには数十億年前に作られた非常に小さな結晶が含まれており、月がいつ形成されたかを示すのに役立つ可能性がある。

地球に衝突して月を作った物体の衝突エネルギーによって岩石が溶け、最終的に月の表面となった。これは、天体の出現当初から存在していた元素と、ずっと後になってから出現した元素との違いを知る手がかりとなる。たとえば、地球と月の両方で見つかった銀色の金属ジルコニウムは、溶けた月の表面では形成されず、生き残ることもできなかった。現在月にあるジルコンの結晶は、マグマの海が冷えた後に形成されたに違いない。したがって、これらの構造の年代を判定することで、衝突直後に出現したと仮定すると、月の最低年齢がわかる。

原子ごとに見る

研究者らはこれまで、月は推定よりも古いと示唆してきたが、この新たな研究は、原子プローブ断層撮影法と呼ばれる分析手法を用いて、人類が回収した最も古い月の結晶からその年代を正確に特定した初めての研究である。

「原子プローブトモグラフィーでは、まず、集束イオンビーム顕微鏡を使って月のサンプルの一部を非常に鋭い先端に削ります。まるで、非常に高級な鉛筆削りのようなものです」と、研究の共著者で惑星科学者のジェニカ・グリア氏は声明で述べた。「次に、紫外線レーザーを使ってその先端の表面から原子を蒸発させます。原子は質量分析計を通過し、その移動速度から原子の重さがわかり、さらに原子が何でできているかがわかります。」

この原子ごとの分析により、ジルコン結晶のどれだけが放射性崩壊を起こしたかが明らかになった。放射性崩壊とは、不安定な構成を持つ原子が陽子と中性子を放出するプロセスである。その後、それらはウランが鉛に崩壊するのと同じように、異なる元素に変化する。変換量とさまざまな化学同位体の既知の半減期に基づいて、専門家はサンプルの年代を推定できる。

「放射年代測定は砂時計に少し似ています」とヘック氏は声明で述べた。「砂時計では、砂がガラス球から別の球へと流れ、時間の経過は下の球に砂がたまる程度で示されます。放射年代測定も同様に、親原子の数とそれが変化した娘原子の数を数えることで行われます。変化率が分かっているので、時間の経過を計算できます。」

アポロ17号のサンプルを研究したチームは、鉛同位体（崩壊中に生成される娘原子）の割合から、結晶の年齢が約44億6000万年前であることを発見した。つまり、月も少なくともそのくらい古いはずだ。これにより月の年齢は4000万年前に戻ったことになるが、それでも宇宙のおよそ137億年の歴史に比べれば非常に短い時間だ。

「今手にしている岩石が、これまで発見された月の中で最も古い破片だという証拠を得られたのは素晴らしいことです。これは地球に関する多くの疑問の拠り所です。何かがどれだけ古いかがわかれば、その歴史の中で何が起こったのかをよりよく理解できます」とグリア氏は語った。

アポロからアルテミスへ

今後の研究では、数十年前のサンプルから得られた手がかりを、今後のアルテミス月探査ミッションで採取されたサンプルから得られた手がかりと統合できる可能性がある。アルテミス3号は2025年に予定されており、月の南極に着陸して探査する予定だ。アポロ17号ミッションでは、晴天の海の東端にあるタウルス・リトロウ渓谷からサンプルを採取したため、月の別の地域から採取された結晶からは想像もできない発見が得られる可能性がある。

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「月にはもっと古い物質があるはずだと私は確信しています。ただ、まだ発見されていないだけです。アポロのサンプルの中にも、もっと古いジルコンがあるのではないかと考えています。これがまさにサンプルリターンの力なのです」とヘック氏は言う。

新しいサンプルと将来の技術進歩を組み合わせることで、太陽系の形成過程やそれ以降のタイムラインをさらに明確にすることができるかもしれない。「おそらく50年後、100年後、あるいはそれ以降に、新しい世代の科学者たちは、今日では夢にしか見えないツールを手にし、今日では考えられない科学的な疑問に答えてくれるでしょう」とヘック氏は言う。「これらのテンプレートは、将来の世代への遺産です。」