火星は、混ざり合った小さな惑星でできているかもしれない

太陽系は、今日見られるように静かに回転する球体だったわけではない。その最も初期の時代には、小さな惑星が太陽の周りを群がり、互いに混ざり合って大惨事を引き起こした。この宇宙のビリヤードゲームは非常に激しく展開され、地球や火星のような世界は、主に滑らかに混ざり合った岩石の液体の塊として誕生した。少なくとも多くの研究者はそう考えてきた。

今回、研究チームは火星の地殻の2つの古代の塊を注意深く調査した結果、赤い惑星は多少異なる形で形成された可能性があるという結論に至った。今週Nature Geoscience誌に掲載された地球化学的な調査では、火星の岩石殻の下に2種類の火星物質、つまり火星を形成するために一緒になった幼年惑星の混じりけのない遺物が存在することが示唆されている。研究者らは水の痕跡に基づいてこの双子の物質を分離したが、これは地球や火星のような岩石惑星がそもそもどのようにして湿潤したかという標準的な理論を複雑にするものである。

「私たちはそのすべてをテストするつもりもありませんでした」とアリゾナ大学の宇宙化学者ジェシカ・バーンズ氏は言う。「しかし、地殻から得られた結果によって、私たちはその仮説に立ち戻って検討しなければならなくなったのです。」

研究チームは、惑星形成の物語は、その最も小さな原子である水素の分布から読み取ることができることを思いがけず発見した。ほとんどの水素原子は軽く、陽子を 1 つだけ含んでいる。しかし、時には陽子と中性子が 2 つ詰まっていることもある。これらの粒子は重水素という名前で呼ばれるが、基本的にはただの重い水素原子である。研究者は、一般的な軽い形態と比較して、重い形態がどれだけ珍しいかを測定することで、惑星のさまざまな部分の歴史を研究することができる。

たとえば、火星の大気は、通常の水素が数十億年かけて宇宙に漏れ出す可能性が高いため、重い物質の濃度が比較的高いようです。一部の研究者は、表面の岩石が同じように軽い水素を放出しているのではないかと疑っていますが、地球にたどり着いた数少ない火星の岩石からは、明確な答えが得られていません。「火星の隕石は長い間謎でした。なぜなら、それらは地図のいたるところに存在しているからです」とバーンズ氏は言います。

当初、研究チームは地殻が大気と同じように軽い水素を失ったかどうかを調べるつもりだった。その目的のため、研究チームは太古の衝突で宇宙に投げ出され、地球に墜落した2つのユニークな隕石を分析した。1つは、その暗い色から「ブラックビューティー」というニックネームが付けられ、多くの地殻岩石の混合物で、一部は44億年前のものだ（火星の年齢は約46億年）。もう1つは約40億年前のものだ。どちらも、形成されてから現在までの間に少なくとも1回は濡れた痕跡が見られる。バーンズ氏によると、その年代と濡れた出来事を考慮すると、「2つのサンプルだけで、火星の歴史のかなり大きな部分がわかる」という。

そしてその歴史を再構築したとき、研究チームは不可解な事実を発見した。火星の地殻における2種類の水素の相対量は、大気とは異なり、何億年もの間変化していないようだ。

しかしその後、彼らは異星の地殻の役割についてより慎重に考えた。地球では大陸間の絶え間ない摩擦により、空気中の水（と水素）が絶えず吸い上げられ、地中に埋もれているが、火星の（ほぼ死んでいる）地殻は、惑星内部の結晶として、その場に凍りついたままである。その異常な水素含有量が何を意味するのかを解明するには、研究チームはさらに深く掘り下げる必要があるだろう。

彼らは科学文献を徹底的に調べ、火星の岩石サンプルの水素濃度を調べた。この岩石は、火星の地殻の下、マントル（火星の大部分を占める溶岩のような層）に由来する。彼らは、その組成（元素の観点から）によって2つのカテゴリーのいずれかに分類される溶岩に注目した。これは、溶岩が火星のマントルの2つの異なる場所から来たことを示すものだった。

深部岩石の2つのグループは、含まれる水素の変種の量でも異なっていた。研究者らが、2つの岩石がどのように融合して地殻を形成したかをモデル化したところ、中間の水素比率が、以前に2つの隕石で測定した値に似ていることがわかった。

言い換えれば、これら 2 つの証拠は、火星の奥深くに、火星を形成した小惑星から残った 2 つの異なる種類の岩石が、よく混ぜられていないスムージーのように存在していることを示唆している。一部の理論が示唆するように、若い火星が中心核まで完全に溶けてしまうほどの激情家であったなら、これらの岩石の種類は完全に混ざり合い、今日では異なる構成要素の痕跡は残っていないはずだ。

また、水素は酸素と混ざって水を形成するため、この新しい結果は、赤い惑星の適度な湿気には複数の起源があることも示唆している。一般的な説の一つは、地球や火星のような岩石惑星の水の多くを、炭素質コンドライトと呼ばれる特定の種類の隕石から得たというものだ。しかし、水分を豊富に含む炭素質コンドライトは、2種類の水素を同程度含む傾向があり、これは火星内部の二重の性質と矛盾する。

「炭素質コンドライトは間違いなく[水の供給にとって]重要です」とバーンズ氏は言う。「しかし、それがすべてではないのかもしれません。」

次に、彼女の同僚の何人かは、混合溶融がどの程度深くまで及んだかを調べるために、火星の初期段階のシミュレーションの開発に取り組む予定だ。このようなモデルは、太陽系のすべての岩石惑星がどのように形成されたかを解明するのに役立つ可能性がある。その間、バーンズ氏は、新しい理論をさらに確固たるものにするために、より広範囲の火星の岩石を研究する予定だ。

「私たちは新しいサンプルの分析と他の隕石の分析を続けるつもりです」と彼女は言う。「やるべきことはたくさんあります。」