地球の水の起源は大きな謎だが、パズルのもう1つのピースが見つかったかもしれない

もし地球に水がなかったら、生命は存在せず、宇宙には湿ったミームがほとんど存在しないことになる。しかし、この惑星に水がどのようにして湧き出たのかは、永遠の謎である。地球は、海に覆われたエーテルから魔法のように現れたわけではない。水には起源の物語があり、科学者たちはその物語が何であるかについて完全に一致したことはない。

アリゾナ州立大学の研究者らは、 「地球物理学研究ジャーナル：惑星」に掲載された新しい論文の中で、地球上の水は、太陽の形成後に撒き散らされた残留ガスの助けを借りて、小惑星によって運ばれた物質から生まれたと示唆している。

私たちが知っている（そして飲んでいる）水が地球外起源であると示唆されたのは、これが初めてではない。歴史的に、地球の水はすべて、地球が誕生して46億年が経った初期に衝突した小惑星から来たというのが最も簡単な説明だった。なぜか？地球の水は、小惑星の水と同じ化学的特徴を持っている。具体的には、重水素（重い水素同位体）と通常の水素の比率だ。また、これまでの実験では、これらの非常に強力な衝突によって生み出された熱とエネルギーにもかかわらず、その水は、まだ青くない惑星にあったままの状態で保存されていた可能性があることがわかっている。

それでも、これらの理論は、水の起源に関する他のいくつかの盲点を埋めるのに十分ではありませんでした。地球の海で見つかった水素は、地球の他の部分に存在する水素と必ずしも同じ種類ではありません。地球の中心核に近い場所で採取されたサンプルには、極めて少量の重水素しか含まれておらず、この水素は小惑星の衝突から来たものではないことを示唆しているようです。

「地球の中心核に水素が存在する可能性が高いと多くのモデルが考えているが、それがマントルの水素同位体比（重水素対水素）にどの程度影響するかを考慮したモデルはない」とアリゾナ州立大学の研究者で、この新しい研究の共著者であるスティーブン・デッシュ氏は言う。「地球は、小惑星よりも重水素対水素の比率が低い、何らかの余分な水素源から始まったに違いない。唯一の可能性のある源は、太陽系星雲ガスだ」

近年の研究により、原始惑星が太陽系星雲ガス（かつては惑星形成が始まる前に消滅してしまうと考えられていた）と共存し、水素が成長中の惑星のより深い部分に取り込まれる機会が増えたことが明らかになり、研究グループはこの考えをより真剣に受け止めるようになった。

最終的に、研究者たちは自分たちが開発した新しい枠組みを使って、地球の水の歴史について最も可能性の高いシナリオにたどり着いた。つまり、数十億年前、太陽がまだ原始太陽系星雲を保っていたころ、大量の水を抱えた小惑星が互いに合体し始めたというシナリオだ。これらの小惑星は、衝突して合体し、最終的に十分なエネルギーを伴って衝突し、惑星の胚と呼ばれるものを作り出し、胚の外側にマグマ層を形成した。

同時に、水素やその他の希ガス元素を含む太陽系星雲ガスがマグマと相互作用し始め、大気が作られました。太陽系星雲の水素はマグマ層の鉄に溶け込みました。同位体分別と呼ばれる化学反応により、通常の水素は胚の核のさらに奥に引き寄せられ、より重い（そしてより希少な）重水素はマントルに留まりました。他の水で満たされた小惑星から作られたより小さな胚が成長中の地球胎児に衝突し、太陽系はついに、水で満たされた、よく知られた愛すべき完全な地球にたどり着きました。

これらすべての歴史は、地球の水のほとんどが小惑星由来であることを裏付けているが、地球上の海のごく一部（0.1～0.2％）が太陽系星雲ガス由来の水素によって形成されたことも示している。

さらに、研究者らはこのモデルを使用して、地球には約 8 つの海洋に相当する水を作るのに十分な水素があると予測しました。そのうち 1 つは表面に存在し、2 つは海洋に相当する水素がマントルに存在し、5 つは海洋に相当する水素が地球の中心核に存在します。

結局のところ、これらの調査結果の最大の限界は、モデルを使って作業しているということだ。これらが実際に起こったことを証明する現実的な方法がないのだ。

それでも、科学者がこの新しい理論が示唆している可能性のいくつかをテストするためにできることはいくつかある。地球の初期胚で見られるような深さと圧力で同位体分離がどのようなものになるかはわからないが、チームはこのプロセスをより詳細に特徴づける実験室実験を進め、モデルが実際の出来事をよりよく反映できるようにしたいと考えている。また、チームは、重水素と水素の比率が非常に低いマントルサンプルをさらに収集して分析し、この起源の物語をさらに裏付けることも目指している。

地球以外では、この新理論の最も大きな影響は、他の惑星での居住可能性に関係している。「水が豊富な小惑星の源から遠く離れた場所で形成された惑星でさえ、水が存在する可能性がある」とデッシュ氏は言う。「地球ほどではないかもしれないが、海洋 0.1 ～ 0.2 個分の水素の層がある」とデッシュ氏は述べ、金星や他の多くの太陽系外惑星に当てはまる。「このモデルが検証される限り、それは惑星の急速な成長という考えを強く支持する」ものであり、居住可能な世界が私たちが考えるよりも早く形成される可能性について興奮を呼んでいる。「これは、惑星に関する私たちの理解を大きく変えるだろう」

アリゾナ州ツーソンの惑星科学研究所の研究者であるデビッド・P・オブライエン氏は、この研究には関わっていないが、この新しいモデルは水のさまざまなメカニズムを組み込んでいる点で非常に興味深いと考えている。「これまでのモデルのほとんどは、これらのさまざまなメカニズムを個別に検討し、それぞれが地球上の水をすべてどのように説明できるかを示しようとしてきました」とオブライエン氏は言う。「この新しい研究では、それらを一緒に検討し、おそらく両方のメカニズムが機能していたことを示しています…そして最終結果は、地球上の測定された重水素と水素の値や希ガスの存在量と一致しています。」新しいモデルは、地球上の水の起源について私たちが知っていると思っていたことを完全に覆すものではないが、オブライエン氏は、この種のプロセスが複雑で多面的であることをうまく実証していると考えている。

少なくとも、この新しい論文は、宇宙にはおそらく水の宝庫である岩石がたくさんあり、いつか掘削するのに適した場所になるかもしれないということを思い出させてくれる。