科学者たちは文字通り、水の起源を研究するために大砲を持ち出した

水は地球上のあらゆるところに存在します。岸に打ち寄せていなくても、屋根に打ち寄せたり、蛇口から滴り落ちたり、足を踏み入れた場所に溜まったりします。しかし、その水はどのようにしてここにたどり着いたのでしょうか?

これは、惑星科学者を長年悩ませてきた疑問です。地球、火星、金星、水星などの惑星は、太陽系内部の塵と熱で乾燥して形成され、その後、氷を含んだ彗星から運ばれた水でびしょ濡れになったのでしょうか。それとも、より乾燥した小惑星や小惑星の衝突が、湿った物質をもたらしたのでしょうか。

「水は、私たちが知る生命にとって極めて重要であり、惑星の進化にも不可欠です。水は岩石の挙動を変えるので、水が地球に到達するタイミングは、地球の地質学的進化に大きく影響します」と惑星地質学者のテリック・デイリー氏は言う。「小惑星や彗星が水を運ぶことは以前から知られており、おそらく水が地球に到達したのはその方法でしょう。しかし、そのプロセスの詳細は、いわばブラックボックスでした。」

コンピューターモデルは、こうした疑問に対する答えを導き始めている。しかし、モデルには限界がある。この水供給システムがどのように機能するかを本当に理解するには、実際にその現象を観察する必要がある。しかし、隕石の衝突は予測不可能なことで有名なので、研究者たちはNASAエイムズ研究センターの超大型銃の助けを借りて、独自のモデルを作ることにした。デイリー氏が率いるこの研究は、今週のサイエンス・アドバンス誌に掲載されたばかりだ。

「衝突モデルによれば、衝突物体は太陽系で一般的な衝突速度の多くで完全に揮発分を放出するはずであり、つまり衝突物体に含まれる水はすべて衝突の熱で蒸発する」と研究共著者で地球科学者のピート・シュルツ氏は声明で述べた。「しかし、自然はモデルよりも興味深い傾向があるため、実験を行う必要がある」

NASA は 1960 年代にエイムズ垂直銃座実験場を建設しました。これは、月の表面がどのような状態であるかを解明しようとしていたアポロ計画の研究者を支援するためのものです。科学者たちは今でも、通常はコンピューターでしかモデル化できないものを現実世界で見るために、物体をぶつけ合わせる実験にこの実験場を利用しています。

水を豊富に含む小惑星が別の小惑星の表面に衝突するのをシミュレートするため、研究チームはBB弾ほどの大きさの岩石の粒を、薄い軽石の粉末層に発射した。軽石は溶岩が急速に冷えてできるガラスで、粉末状の物質は小惑星の表面に似ているかもしれない。研究チームは軽石を1時間半にわたって華氏1500度以上の高温で加熱し、中の水分をすべて焼き尽くした。

この乾燥した粉末に水を運んだのは、地球上で発見された鉱物で、分子構造にすでに大量の水が結合している蛇紋石のペレットです。蛇紋石は炭素質コンドライトと呼ばれる隕石にも見られます。

垂直の銃に弾を装填し、その下に超乾燥した軽石のトレイを並べ、そして…バン！一瞬ですべてが終わります。

蛇行した弾丸は時速 11,000 マイル以上のスピードで軽石の表面に激突し、弾丸を支えていた薄いマイラー トレイを突き破りました。岩石の破片が飛び散り、衝撃で岩石と軽石の両方が一部溶けてガラスができました。そして、そのガラスには水が含まれていました。

衝突で水が蒸発する代わりに、一部の水はそこに留まりました。一部は軽石の表面に衝突して吹き飛んだ弾丸の破片の中に閉じ込められましたが、大部分は溶けたガラスと混ざりました。もしこれが本物の小惑星の衝突であったなら、標的にはまだ十分な量の水が届けられていたはずです。

この結果は、小惑星が別の小惑星に衝突したときの様子を示しているだけで、地球や月のようなより大きな天体に小惑星が衝突したときの様子を示しているわけではない。こうした衝突をシミュレートするには、はるかに強力な装置が必要になるが、このプロセスがより大きな天体でどのように機能するかについて多くのことを教えてくれる。

「研究室で行う実験は小規模ですが、惑星や小惑星は非常に大きいです。しかし、私たちは研究室で観察したものを取り上げ、それをよく理解しようと努め、大規模な衝突がどのように機能するかについて知っていることを取り入れ、それらの原理を使用して、それらの実験を解釈する方法の結果を導きます」とデイリー氏は言う。

たとえば、地球科学者は、月面の衝突速度は実験室で行われる衝突速度よりもはるかに速いことを知っています。また、衝突速度が速いほど、より多くの溶融物質が生成されることもわかっています。月面の衝突溶融物が実験での溶融物と同じように水を閉じ込めるのであれば、実験のメカニズムはさらに大規模なスケールでも有効であるはずです。

理想的には、デイリー氏と同僚は、表面に水の痕跡がある太陽系の小惑星を詳しく観察し、そこに閉じ込められた水の割合が実験結果と一致するかどうかを確認したいと考えています。これは、研究者が現在の太陽系の基本的なダイナミクスを理解するのに役立つ可能性があり、また、太陽系と惑星がどのように形成されたかについての洞察も提供します。

「水の起源、それがどこから来て、どうやってここにたどり着いたのかという問題は、地球の形成と進化を理解する上で、そして最も大きなスケールで、地球が今日の私たちのいる場所にどのようになったのかを理解するために、本当に重要です」とデイリー氏は言う。