「月の起源」に新たな手がかりが加わった。この神秘的な惑星はどこから来たのでしょうか?

月はどのようにして形成されたのでしょうか?

現在最も主流となっている仮説は「巨大衝突仮説」です。

約 45 億年前、テイアと呼ばれる火星サイズの天体が若い地球に衝突し、地球の一部 (主にマントル) が宇宙に放出され、月が誕生しました。

図｜テイアが地球に衝突。 （出典：Wikipedia）

「巨大衝突仮説」を裏付けるこれまでの証拠は、アポロ計画で持ち帰られた月の岩石から得られたもので、その酸素同位体組成比は地球のマントルとほぼ同じだった。

現在、科学者たちは月の形成に関する「巨大衝突仮説」をさらに裏付ける新たな手がかりを得ている。

新たな研究で、ETHチューリッヒの地球化学者、宇宙化学者、地質学者は、月の隕石の中に地球のマントルからの希ガス（不活性ガスとも呼ばれる）であるヘリウムとネオンを発見した。

「月の内部に固有の希ガス」と題された関連研究論文が、権威ある科学雑誌「サイエンス・アドバンス」に掲載された。

（出典：サイエンス・アドバンス）

4つの仮説

月の起源については、「巨大衝突仮説」のほか、「捕獲仮説」「相同仮説」「分裂仮説」も科学者によって次々と提唱されてきたが、いずれも一定の理論的欠陥を抱えている。

「捕獲仮説」では、科学者たちは月が太陽系の初期に形成された多くの宇宙天体のうちの1つであると考えています。木星も他の天体と同じように軌道上を漂っていましたが、ある日、地球の重力に引き寄せられて元の軌道から離れ、地球の唯一の自然衛星となりました。

しかし、この仮説が正しいとするには、地球が月の通過エネルギーを消費し、その動きを遅くするほどの非常に大きな大気を持つ必要がある。

「相同起源仮説」は、地球と月が同じ原始降着円盤から形成されたという別の説を唱えている。

しかし、この仮説では、月面に金属鉄が存在しない理由や、地球-月系の高い角運動量を説明することはできない。

「分裂仮説」にも理論上の欠陥がある。地球は自身の急速な自転により破壊され、その破壊された部分が月になったと考えられています。

しかし、これほど大きな遠心力を生み出すには、地球が最初から超高速で回転している必要がある。

「巨大衝突仮説」では、科学者たちは太陽系の初期には巨大な衝突が頻繁に起こっていたと信じている。巨大衝突モデルのコンピューターシミュレーションによれば、このような衝突によって生成された連星系は、現在の地球-月系の軌道パラメータと一致するのに十分な角運動量を持つはずであり、月の核が比較的小さい理由も説明できる可能性がある。

図｜「ビッグインパクト仮説」の簡単な説明。 （出典：Wikipedia）

さらに、この仮説は地球と月の組成の違いも合理的に説明できる。月の成分のほとんどは、元の地球ではなく、衝突前の天体から来ているのだ。

しかし、この仮説はまだ完璧ではありません。例えば、隕石の研究により、火星やベスタなど太陽系の他の天体の酸素とタングステンの同位体組成は地球のそれと異なるのに対し、地球と月の同位体組成は非常に似ていることがわかっています。

もっともらしい説明の一つは、地球-月系の形成につながった衝突によって、地球と月の形成中に揮発した物質が混合され、おそらく2つの天体の同位体組成が均衡したというものだが、この説明は依然として議論の余地がある。

「巨大衝突仮説」は完璧ではないものの、現時点では月の形成に関する最も包括的な説明である可能性があり、将来的にはそれを裏付けるさらなる証拠が必要になるだろう。

新たな証拠が「巨大衝突仮説」を裏付ける

希ガスとは、周期表の第18族に属する元素を指します。それらは類似した特性を持っています。常温常圧下では無色無臭の単原子気体であり、化学反応を起こしにくい。自然界に存在する希ガスは、ヘリウム (He)、ネオン (Ne)、アルゴン (Ar)、クリプトン (Kr)、キセノン (Xe)、ラドン (Rn) の 6 種類です。

希ガスの主な産業用途は、照明機器、溶接、宇宙探査です。たとえば、白熱電球に充填される保護ガスはアルゴンと窒素の混合物です。クリプトンはフィラメントの蒸発率を低減できるため、色温度と効率が高い高性能白熱電球によく使用されます。放電ランプにさまざまな希ガスを充填すると、ネオンサインによく見られるネオンランプのように、さまざまな色の光を生み出すことができます。

この研究で、研究チームは希ガス質量分析計を使用して、隕石サンプル中のサブミリメートルサイズのガラス粒子（玄武岩が冷却したときに形成される）を測定し、検出されたガスの発生源として太陽風を除外しました。

論文の筆頭著者であり責任著者でもあるパトリツィア・ウィル氏は、南極から採取された6つの月の隕石サンプルを分析した。これらのサンプルは、NASA が南極の「寒冷砂漠」で収集したものです。これらが形成される理由は、大気圏の保護が不十分なため、月の表面が小惑星に絶えず衝突していることが推測されます。高エネルギーの衝突により、溶岩流の中間層から岩石の破片が噴出され、最終的に隕石の形で地球に到達しました。

これらの隕石は、月の内部からマグマが湧き出て急速に冷えて形成された玄武岩で構成されています。これらは形成後に他の玄武岩層に覆われていたため、宇宙線、特に太陽風による損傷から保護されていました。

結果は、ガラス粒子が太陽ガス、すなわち月内部のヘリウムとネオンの化学的指紋（同位体シグネチャ）を保持しており、検出されたヘリウムとネオンの含有量が予想よりもはるかに高いことを示した。

図 |交差偏光下の LAP 02436 サンプル スライス。 （出典：ETHチューリッヒ）

この発見は、月が地球から自然に発生する希ガスを「受け継いでいる」という見解を強く裏付けています。 「これは非常に興味深い結果であり、この玄武岩質の物質は月面の露出とは関係がない」とウィル氏は語った。

この点について、論文の著者の一人であり、チューリッヒのスイス連邦工科大学の教授であるヘナー・ブゼマン氏は次のように述べている。「今後の研究で、研究チームはキセノンやクリプトンなどの他の希ガスや、水素やハロゲンなどの他の揮発性元素を月の隕石の中に探し続ける予定です。」

「この発見は、地球化学や地球物理学の科学者が新しいモデルを作成し、より一般的には、これらの最も揮発性の高い元素が太陽系内外の惑星の形成を生き延びた方法を示すのに役立つ可能性があります。」

参考文献:

https://www.eurekalert.org/news-releases/961341

https://en.wikipedia.org/wiki/Giant-impact_仮説