天文学者がオーブンで異星の大気を調理

45億年前の地球の大気はどのようなものだったのでしょうか。これは答えるのが難しい質問です。当時、地球は惑星というよりは、岩石の寄せ集めのようなものでした。やがて生命が誕生すると、酸素があらゆるところに噴出し、現在私たちが空気と呼んでいるガスの混合は永久的に変化しました。

しかし、太陽系外の惑星、つまり太陽系外惑星の研究が盛んになるにつれ、この問題は緊急性を増している。現在の望遠鏡は、地球よりも大きくて熱い惑星の大気を捉えることができ、次世代の望遠鏡はまもなく、地球に似た惑星のぼんやりとした輪郭を鮮明に捉えるだろう。

これらの惑星が何でできているか、水があるかどうか、さらには生命が存在するかどうかまで解明するには、研究者はガスのシルエットと惑星の骨格である岩石や鉱物を結び付ける必要がある。

地球の気候、生命、プレートテクトニクスは、私たちの世界を最初に形成した物質を、認識できないほどリサイクルしてきました。しかし、金星、火星、地球の混沌とし​​た生成を逃れた純粋な残り物は、小惑星として生き残りました。現在、研究チームは、他の方法では収集できないガスの匂いを捕らえるために、これらの原始物質からいくつかの塊を粉砕し、焼き、分析しました。

「これらは、地球上の研究室で実際に手に取って研究し、初期の地球や他の岩石惑星の大気がどのようなものでできていたかを理解しようとする唯一の直接サンプルです」と、カリフォルニア大学サンタクルーズ校の天体物理学者マギー・トンプソン氏は言う。

雰囲気の作り方

木星や土星のような巨大ガス惑星では、大気が永続的に存在することは容易です。その巨大な重力で、周囲に漂っている物質（通常は水素とヘリウム）をただ引き寄せるだけです。

岩石質の地球型惑星は独自の空気を作り出します。この種の世界は、直径数十から数百マイルの巨大小惑星の渦巻く雲から形成されます。合体した宇宙の岩石は互いに衝突し、華氏数千度まで熱くなります。この猛烈な熱で岩石内の凍った物質が沸騰し、これらのガスが惑星のスターター大気になります。

研究者たちは、地球形成の材料となる小惑星が地球の起源を理解する鍵となることをずっと前から認識していた。しかし、小惑星は遠く、到達するのが難しいため、惑星科学者は代わりに太陽系内部に侵入して地球に落下した小惑星の残骸、つまり隕石を研究している。

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「それらはまさに、太陽系の惑星の残り物のレゴのようなものです」とトンプソン氏は言う。「それが私たちのところにやって来るのは本当に幸運です。」

隕石の狂気

若い地球の大気の構成を解明する初期の試みでは、モデルが使用されました。現在スタンフォード大学の惑星科学者であるローラ・シェーファー氏は、2010 年にそのような取り組みの 1 つを主導しました。彼女は、惑星の形成に関連していると考えられる主要な種類の隕石で発見された鉱物や元素が何であるかをすでに知っていました。そこで彼女は化学を利用して、それらの物質が加熱されるとどのようなガスを放出するかを予測しました。

彼女は、初期の大気は水と二酸化炭素が主で、硫黄や炭素などの予想外のガスも微量含まれていたことを発見した。これは妥当な結果だが、理想的な条件と純粋な物質を前提としている。

数年後、トンプソンと指導教官のミリアム・テラスはシェーファーに連絡を取り、スタンフォード大学の科学者のシミュレーションを現実のものにしようと計画した。本物の隕石の破片をオーブンで焼いて、どんなガスが放出されるかを調べるのだ。

これまでにも隕石を加熱した研究者はいたが、通常は別の実験技術を必要とする別の疑問がきっかけだった。宇宙の岩石を使って地球の原始大気を再現した人はいなかった。シェーファーはそれに賛成した。

「誰かがやって来て、実際のデータでモデルをテストしてくれることは、すべてのモデラーの夢です」と彼女は言う。

隕石を使ったお菓子作り

テルースは、隕石コミュニティにおけるネットワークを活用し、3つの隕石からレーズン数粒分の材料を調達した。そのうちの1つは、2019年にコスタリカの犬小屋の屋根を突き破って地球に落下したばかりだった。

トンプソン氏は隕石の削りくずを粉砕してオーブンに入れ、45億年前に地球の形成に寄与したとすれば、粉末状の岩石が経験したであろう条件に似た条件にさらした。同氏は、海面より1億分の1の圧力で、ほぼ真空状態で、隕石を華氏2,200度（摂氏1,200度）近くまで加熱した。その後、ガスによる微量汚染物質を探すための高感度機器で、出てきたものを嗅ぎ分けた。

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熱い隕石の粉末から放出された原始大気は、約66パーセントの水蒸気、18パーセントの一酸化炭素、15パーセントの二酸化炭素、そして少量の水素、硫化水素、そして少数のその他のガスで構成されていた。これはシェーファーの予測とほぼ一致していたが、硫黄ガスが多いなど、いくつかの違いがあった。「それはまだ解明中です」と、結果の分析に協力したシェーファーは言う。研究者らは先週木曜日、ネイチャー・アストロノミー誌に結果を発表した。

サンタクルーズグループは、まだ隕石の約 80% が残っているため、焼成を続ける予定です。次に、ガスセンサーを微調整して、より希薄なガスを探知したいと考えています (一度に 10 種類しか探知できません)。また、材料を変えて、異なる種類の隕石を調理し、それらの岩石がどのような雰囲気を生み出すかを調べたいと考えています。

オーブンから星へ

チームが自家製で作った大気は、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡や次世代の地上望遠鏡が今後 10 年以内に稼働し始めるときに、天文学者が観測対象をよりよく理解するのに役立つだろう。望遠鏡が岩石惑星 (トラピスト太陽系のような惑星) の大気から地球に到達する光を表す生データを返すと、研究者はそれらの観測結果を大気の予測と比較し、どの組み合わせが最も適合するかを調べる。

トンプソンの大気もそのひとつだ。よく一致すれば、大気中にどれだけの水と二酸化炭素が含まれているか、また、その太陽系が私たちの太陽系と同じ種類の小惑星から惑星を形成したかどうかがわかるだろう。

この研究は、生命の兆候であるバイオシグネチャーを解釈するための基礎も築く。地球上の生物は大気を劇的に変化させた。研究者たちは岩石惑星の大気がどのようにして始まったのかをよりよく理解できるようになったため、生命が改変した大気を認識する準備がより整うだろう。

「生命の痕跡を理解するには、岩石惑星が生命なしで作り出す大気の自然な範囲を把握する必要がある」とシェーファー氏は言う。