エウロパか破滅か：木星の軌道での生命の探査

地球外生命体の探索は最近、火星から木星の周りを回る氷の球状の衛星であるエウロパへと驚くべき方向転換を遂げました。その理由を理解するには、次の 3 つの数字を見るだけで十分です。

ゼロ
13億3千万
30億

1 つ目は、火星に存在することがわかっている水の量です (永久凍土と数十億年前の川床はカウントされません)。2 つ目は、地球上の水の量で、立方キロメートルで測定されています。3 つ目は、エウロパの凍った表面のすぐ下を漂っている水の推定量です。確かに、数十億年前には火星に海があったかもしれませんが、エウロパには現在海があり、その大きさは地球のすべての海を合わせた量の 2 倍以上です。

生命について私たちが知っていることすべてから、生命には水が必要だとわかります。逆に、地球上で水が存在する場所であれば、生命も存在します。したがって、従来の考え方では、地球外生命を見つけたければ、まず探すべきは地球外の水です。エウロパは太陽系で最も水の多い惑星として知られています。生命には食料とエネルギーも必要です。エウロパはこの点でも優れています。エウロパの海は、有機化学物質の霧雨によって養われ、大西洋中央海嶺に点在する火山の噴出孔によってかき混ぜられている可能性があります。太陽系のどこかに「私たちは孤独なのか？」という疑問の答えがある場所があるとすれば、それは赤い惑星ではなく、エウロパである可能性が高いでしょう。

だからといって、答えを得るのが簡単だというわけではない。決して簡単ではない。正確にどれほど難しいかを知るために、あと3つの数字を考えてみよう。6億は地球からエウロパまでの平均飛行距離（マイル）で、そこまでの旅には少なくとも6年かかる可能性がある。500はエウロパ表面の1日あたりの平均放射線量（レム）で、保護されていない宇宙船の電子機器を数日で焼き切るほどである。10はエウロパの氷殻の推定平均厚さ（マイル）で、南極を覆う氷河の4倍以上の厚さである。これらの数字を克服するには、人間の創意工夫の限界が試される。しかし、挑戦しなければならないと主張する科学者の声はますます増えている。

500: エウロパの表面における1日あたりの平均放射線量（レム）—保護されていない宇宙船の電子機器を数日で焼き尽くすほどの量

今年 5 月、NASA はついに同意し、今後 10 年以内にエウロパを訪問する探査機の開発を開始しました。ミッションの名称など、詳細の多くはまだ決まっていません。しかし、NASA はデータ収集のために探査機に搭載する 9 つの科学機器を選択し、議会は 20 億ドル規模のプロジェクトを開始するための資金を拠出しました。

エウロパの信奉者たちにとって、このニュースは祝杯をあげたが、同時に少なからず信じられない思いも抱かせた。「エウロパがいかに特別な場所であるかは理解しています。投資する価値があり、リスクを負う価値があります」と、ジョンズ・ホプキンス大学応用物理学研究所の惑星科学者ルイーズ・プロクター氏は言う。プロクター氏自身もすでにその投資を行っており、キャリアの半分をエウロパの独特な凍りつく地形の研究に費やしている。「私が生きている間に何か成果が得られればと願うばかりです」

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偉大な発見は、目に見えないところから始まることがあります。1979年にボイジャー2号がエウロパを通過したときがまさにそうでした。ボイジャー2号は、氷河のように白く、謎めいた茶色の縞模様が入り混じり、完全に平坦な世界の画像を地球に無線送信しました。「クレーターはありませんでした。巨大な氷塊のように見えました。大きな驚きでした」と、ボイジャーの長年のプロジェクト科学者であるエド・ストーンは回想します。クレーターがないことは、小惑星衝突の傷跡がすぐに消えるほど表面が急速に変化していることを示しており、それは逆に、その活動を推進している未知のエネルギー源があるに違いないことを暗示していました。現在では、エウロパと木星の他の大きな衛星との重力相互作用により、エウロパの内部が伸縮し、摩擦熱（手をこすり合わせるのに似ている）が生じ、広大で温かい海が形成されていることが分かっています。氷塊は単に表面に塗られた霜に過ぎません。

ボイジャーの接近通過から3年後、作家アーサー・C・クラークはこの発見に魅了され、小説『2010年』の舞台をエウロパに定めた。クラークはエウロパを、原始的な水生生物が住み、 『2001年宇宙の旅』のモノリスに守られた世界として想像した。モノリスは人類に警告を発した。「エウロパを除く、これらすべての世界はあなたたちのものだ。決して着陸を試みてはならない」。惑星科学者の間では、この言葉は仲間内のジョークであると同時に挑発にもなっている。

1995年、NASAのガリレオ探査機が木星の周回軌道に乗り、エウロパがある程度まで鮮明に映った。一連の新しい、より接近した画像では、エウロパの縞模様は下から浸水した氷河の亀裂のように見えることが示された。他の領域は、ばらばらになって再凍結した海氷に似ていた。しかし、ガリレオは無線アンテナの故障により、データ送信が細流に制限され、エウロパの大部分で約1マイル幅未満の細部を捉えることができず、探査機はいくつかの領域をほぼ完全に未地図のまま残した。ガリレオのミッションが2003年に終了して以来、他の探査機はエウロパを訪れていない。

プロクター氏は困難な状況を最大限に活用し、20年前の画像を丹念につなぎ合わせて、エウロパの表面の氷が下の暖かい層まで循環し、また上昇していることを示した。これは地球のプレートテクトニクスのより冷たいバージョンだ。ジョージア工科大学の宇宙生物学者ブリトニー・シュミット氏は、エウロパの地殻内にエリー湖ほどの大きさの水塊が埋め込まれている証拠を発見した。この水塊は、海と表面をつなぐ導管として機能している可能性がある。これらの発見を総合すると、興味深いモデルが浮かび上がる。地殻がゆっくりとかき混ぜられると、表面の氷は、彗星によって海の深部へと運ばれた酸素、ミネラル、有機化学物質を運ぶ可能性がある。一方、湧昇する氷や破裂する湖は、生命の証拠を表面に運ぶかもしれない。「氷殻の仕組みを本当に理解できれば、エウロパの生命維持能力や、どこを探せばよいかがわかるでしょう」とシュミット氏は言う。

最近の長期研究により、エウロパの神秘性はさらに増している。約2年前、ハッブル宇宙望遠鏡で研究している研究者らが、エウロパの南半球に漂う巨大な水蒸気雲を目撃した。明らかに、液体の水は地殻を突き破って宇宙空間に噴出することができるため、地表近くに水があるか、氷に非常に深い亀裂があることになる。また、今年5月には、NASAジェット推進研究所（JPL）のチームが、エウロパの縞模様の赤茶色を再現した実験について報告した。縞模様は、海洋の塩分が地表に達し、木星の放射線によって変色した結果のようだ。水が岩の海底と激しく相互作用して溶解した塩分を拾い上げれば、塩辛い海が生まれると予想される。そして、よくかき混ぜられたミネラル豊富な水は、生命にとって良い前兆となる。

「我々は孤独なのか？」という問いに対する答えを太陽系のどこかに持っているとしたら、それはおそらくエウロパだろう。

これらすべてが、たとえ奇妙な例外であったとしてもエウロパを魅力的な目的地にするだろうが、実際はそうではない。太陽系の広大な外縁部には、衛星、準惑星、巨大小惑星など、概ね同様の氷の世界が当たり前に存在する。最新の研究によると、これらの天体のうち少なくとも 9 つには内部に海もある。冥王星ですら内部は湿っている可能性があり、この疑いは、ニューホライズンズ探査機によって最近発見された 11,000 フィートの氷山やその他の劇的な地表地質によって強化されている。言い換えれば、太陽系の液体の水のほとんどは、地球のような岩石の世界の表面ではなく、エウロパのような氷の天体の内部にあるということだ。これは、NASA の次のミッションの重要性を高める。エウロパで生命の証拠が見つかれば、太陽系全体、そしておそらくは宇宙全体に、まったく新しい種類の居住可能な世界が存在することを示すことになるだろう。

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ガリレオが20年前に木星に到達した時から、エウロパ推進派はどのようにして木星に戻ってその衛星を詳細に調査するかを考えてきた。その過程で、彼らはNASAが開始して中止した3つの別々のミッション構想に取り組んできた。現時点で彼らはエウロパの課題を隅々まで理解している。

距離の問題は、単純明快で強引な解決法があるため、最も簡単に対処できる。既成のアトラス V ロケットを使用すると、エウロパへの旅には少なくとも 6 年かかる。これは、学者にとっても政治的支持者にとっても苦痛なほど長い時間だ。したがって、現在のエウロパ構想では、NASA の次期ロケットである巨大なスペースローンチシステム (SLS) に便乗することになっている。初期構成では、SLS は高さ 321 フィート、推力 840 万ポンドになる。これは、エウロパへの飛行時間を少なくとも半分に短縮できる可能性がある。NASA の現在のスケジュールでは、最初の SLS は 2018 年に試験飛行の準備が整う予定だ。暫定的に 2022 年に打ち上げが予定されているエウロパミッションには十分早い。

放射線への対処はより困難だ。以前のエウロパ計画の構想には、木星付近で絶え間なく降り注ぐ高エネルギー粒子に耐えられるように設計された、シールドが厚い周回衛星が含まれていた。そのため、探査機の費用は40億ドル以上と見積もられた。JPLのロバート・パパラルド氏を含むチームは、より単純で安価な解決策を思いついた。エウロパを周回する考えを捨て、木星全体の軌道に単刀直入に落ち着くというものだ。探査機は巨大惑星の周りを旋回しながら、エウロパを約45回通過し、表面から15マイルほど接近する。通過するたびに、放射線レベルが大幅に低い軌道のより遠い部分へと素早く後退する。チームは、このカットアンドラン方式により、探査機の電子機器は予定されている3年間のミッション期間に十分耐えられると見積もっている。

しかし、放射線は物理的な問題に加えて、情報上の問題も生み出す。たとえエウロパに生命が存在し、氷の循環によって海洋生物が表面に運ばれることがあったとしても、木星の磁場は、それらが露出するとすぐに高エネルギー粒子でそれらを吹き飛ばす。それらの粒子は有機分子を分解するため、エウロパの表面に横たわる外来微生物の痕跡をそのまま検出するのは難しいだろう。（座礁したエウロパのクジラ？もしかしたら。しかし、誰もそれを当てにしていない。）

海水や生物の破片は、AK-47 の弾丸の 6 倍の速度で探査機に衝突します。

幸いなことに、エウロパ自体が解決策を提供してくれた。氷の噴煙は、地表から 125 マイルもの高さまで水のサンプルを噴出する可能性があり、これは探査機の飛行経路に十分収まっている。科学者グループは最近、「エウロパの噴煙で生命を発見する可能性」と題したワークショップを開催し、この発見をどう活用するかを検討した。彼らは、無傷の微生物を見つけることは無理だと結論付けた。たとえエウロパの海水が地球と同じくらい生命に富んでいたとしても、生きた細胞をすくい上げる可能性はごくわずかだ。また、探査機は噴煙に対して時速約 10,000 マイルで移動するため、海の一部やその中にいる生物は、AK-47 の弾丸の 6 倍の速度で衝突するだろう。

研究者たちは、2 つの理由から、それでも楽観的だ。第一に、生命の化学的特徴を見つけることは、無傷のエイリアンの虫を見つけることよりはるかに簡単だ。それを念頭に、探査機に搭載された 2 つの小型実験室は、探査機が通過する際に噴煙の組成を測定することを目指す。第二に、エウロパの表面が放射線を浴びて認識できなくなる前に、瞬間凍結した生命を宿す海水 (または少なくとも生命に適した化学物質) を見つけることができるかもしれない。探査機は、最近噴火が起こった可能性のある薄い氷の領域を探すためのレーダーと、表面の組成を詳細にスキャンするためのイメージング分光計と呼ばれる装置を搭載する。

しかし、結局のところ、エウロパの噴煙は単なる状況証拠に過ぎないかもしれない。答えを得るためのより良い方法、つまり研究者の目に光をもたらす方法は、アーサー・C・クラークのモノリスを無視して着陸船を送ることだ。

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エウロパの表面に着陸したら何が見つかるかは誰にもわからない。人類はこれまで氷の世界に着陸したことがない。最も近い類似地は地球の北極と南極地域だが、多くの点で類似点は表面的なものにすぎない。パパラルド氏は、エウロパははるかに寒く、最高気温が華氏マイナス210度を超えることはないと指摘する。その温度では水はコンクリートのように硬くなり、新しい形の氷の地質を形成する。放射線は表面を予測できない方法で侵食する。つまり、着陸する表面がどのようなものか、そこに着いたら何が見えるのか、私たちにはほとんど見当がつかないのだ。

JPLのエンジニアであるアダム・ステルツナー氏は、火星探査車キュリオシティ用の非常に天才的な「スカイクレーン」着陸システムを設計したチームの一員だが、それでもエウロパ着陸機を設計する準備はできている。彼は、1976年にバイキング着陸機が着陸したとき、エンジニアたちは火星の表面の地形を知らなかったが、うまくやったと指摘する。着陸は、文字通り、ロケット科学の問題だ。「どれだけの重量を運べるか、どれだけの電力を運べるか、どれだけの大きさの逆噴射ロケットが必要か」と彼は言う。着陸機を数日以上持続させたいのであれば、放射線防護もしっかりしなければならない。着陸機が重ければ重いほど、軌道上の時速12,000マイルから着陸時の時速0マイルまで加速するために必要なスラスタも大きくなる。また、着陸機を放出する前に、主要オービターで良い場所を偵察する必要がある。大変な仕事だが、エンジニアリングの面で致命的な問題はない。

ステルツナー氏は、着陸機が科学的研究を行う方法についてすでにいくつかの巧みなアイデアを持っている。凍結したエウロパの表面からサンプルを採取するのに高価な電動ドリルは必要ないと彼は指摘する。着陸機は、搭載電源を使用して脚の 1 つにヒーターを取り付ければ、よりスマートに作業できる。少しの暖かさで、下にある氷が溶けて蒸発する。その後、着陸機は脚から煙を吸い上げ、ミニ化学実験室に吸い込み、生命の兆候を探す。着陸機が着陸すると、放射線を浴びた表面を掘り進み、その下の比較的無傷の氷に穴をあけて、小さな掘削作業を行う。

もしエウロパで生命の証拠が発見されれば、それは太陽系全体、そしておそらくは宇宙全体に、まったく新しい種類の居住可能な世界が存在することを示すことになるだろう。

NASA はまた、欧州宇宙機関に、エウロパ着陸機または高速氷貫通機 (基本的には氷に投げ込む槍) の提案を提出するよう呼びかけている。これらのアイデアはいずれも審査プロセスを経る必要があり、おそらく 2016 年か 2017 年まで正式に承認されないだろう。また、資金の問題もある。NASA にはエウロパ着陸機のための資金はないが、議会議員数名がこの構想を支持している。

エウロパの信奉者が最も恐れているのは、この氷の衛星を訪れるのが困難すぎるということではなく、そこに到達するまでのプロセスがあまりにも費用がかかりすぎるということだ。火星はより近く、よりアクセスしやすく、より身近な場所だ。予算の数字だけを考えれば、そこに行くべき場所だ。しかし、エウロパは科学的な数字で勝っている世界だ。時間とお金を投資すれば、木星の海の衛星へのミッションは、最もエキサイティングな数字、つまり、生命が存在することがわかっている宇宙の場所の数である 2 をもたらす可能性がある。

この記事はもともと、Popular Science の 2015 年 9 月号に掲載されました。