嫦娥5号の最初のサンプルに隠された月のコード

2020年12月、我が国初の月サンプルリターンミッションである嫦娥5号は、月の表側にある嵐の海の北部で1,731グラムのサンプルを無事に持ち帰りました。 1976年にソ連のルナ24号が最後に月面サンプル採取ミッションを行ってから44年を経て、月面サンプルが持ち帰られるのは今回が初めて。また、月面で最も新しい火山岩地域で人類がサンプルを採取したのも今回が初めてだ。では、嫦娥5号から採取された最初の月のサンプルは、どのような主要な科学的問題を私たちに明らかにするのでしょうか?

記録上最も新しい月の火山活動

火山活動によって生成されたマグマを惑星の「血」に例えると、その「血」が最後に流れた時が、その惑星の地質学的寿命の終わりを意味します。地球は大きく、エネルギーも豊富にあるので、今でも火山活動が起こっています。火星（地球の直径の約半分）は2億年前に火山活動を停止し、死の惑星となった。月（火星の直径の約半分）がいつ消滅したかは、長い間科学者たちの関心事となってきた。

正確な放射性同位体年代測定の結果、米国のアポロとソ連のルナが持ち帰ったサンプルの年代は30億年以上、月の隕石の年代は28億年以上であることがわかった。中国の科学者らは、嫦娥5号の最初の月のサンプルから、構造の異なる玄武岩の破片47個を分析・数えた。独自に開発した超高空間分解能のウラン（U）鉛（Pb）年代測定技術を用いて、3ミクロンより大きいジルコン含有鉱物（バッジジルコン、ペロブスカイト、静寂石など）51個に対してイオンプローブ分析を実施し、最終的に20億3000万±0.4億年という正確な年代を導き出した。この発見により、月面で最も新しい玄武岩サンプルの年代が20億年前と更新され、月の「血」が流れていた期間（つまり、月の地質学的寿命）が8億～9億年延びたことになる。

地球、火星、月の直径（等しい割合）と火山活動の持続時間を比較すると、惑星が小さいほど地質学的な寿命が短いことがわかります。画像提供: パープルマウンテン天文台

地球型惑星衝突クレーターの統計的年代測定のための重要なアンカーポイント

月は太陽系における惑星の激動の 45 億年の歴史書であり、全歴史期間を通じて小惑星の衝突イベントを完全に記録し、保存しています。一般的に言えば、月の地質学的単位の年代関係は単純に層序の法則に従います。つまり、上部の岩石はより新しく、下部の岩石はより古いのです。さらに、月面への小惑星の衝突はランダムに発生するため、理論的には月面のどの部分に衝突する確率も同じです。古い地域には衝突クレーターが多く蓄積されるため、衝突クレーターの分布密度を使用して惑星の表面年齢を推定する方法、つまり衝突クレーターの統計的年代測定法が形成されます。

米国の6回のアポロ計画（持ち帰ったサンプルは381.69kg）とソ連の3回の月面計画（321g）のおかげで、科学者たちは持ち帰ったサンプルの絶対年齢を使用して対応する地質学的単位を較正し、衝突クレーターの統計的年代曲線を確立しました。しかし、若い月のサンプルが不足しているため、年代測定曲線には 10 億年から 30 億年の間に較正ポイントがありません。嫦娥5号のサンプルはまさにこのギャップを埋め、20億年におけるこの年代測定曲線の重要なアンカーポイントを提供し、衝突クレーターの統計的年代測定法の精度を大幅に向上させます。これにより、科学者は月面の他の地域の地質年代だけでなく、水星、金星、火星、小惑星などの地球型惑星の表面の地質年代をより正確に判定できるようになる可能性がある。

嫦娥5号のサンプルは、月の衝突クレーターの統計的年代測定曲線における重要なアンカーポイントを提供します。画像出典：参考文献[2]より改変

月のマントルは実に「乾燥」している

現在、多くの観測事実から、月は大規模な衝突によって誕生し、衝突によって噴出した高温のマグマとガスが凝縮して形成されたことが示唆されています。このプロセスを通じて、水などの揮発性成分が大量に失われるため、理論上は月は非常に「乾燥した」惑星になるはずです。しかし、さまざまな科学チームによる月のマントルの水分含有量の推定値は、無水（「完全に乾燥」）から水分を多く含む（最大 200 μg/g）まで 2 桁も異なり、月の「湿潤」と「乾燥」の性質に関する議論が何十年も続いています。

嫦娥5号が持ち帰ったサンプルは、これまでで最も若い玄武岩であり、地質学的背景が明確で、後世の変化（小惑星や彗星の衝突、太陽風粒子の注入など）が最も少ないため、この疑問に答えるのに最適な対象となっている。科学者たちは、高空間分解能ナノイオンプローブを使用して、鉱物と溶融物包有物の水分含有量と水素同位体組成を分析し、嫦娥5号サンプルの月マントル源領域の水分含有量はわずか1〜5マイクログラム/グラムであると推定し、月のマントルが非常に「乾燥している」ことを示した。

月の内部における水分量の時間経過による分布。嫦娥5号のサンプル結果は、月のマントルの水分含有量がこれまでの推定よりも大幅に低いことを示しています。画像出典：参考文献[1]より改変

嫦娥5号のマグマ源にKREEP成分は見つからない

月が最初に形成されたとき、月は数百キロメートルの深さのマグマの海に覆われていました。温度が下がると、マグマは固まり始め、岩石を形成します。マグマオーシャンの結晶化度が約98%に達すると、不適合元素（固体に入りにくいが溶融物に入りやすい元素）が残留溶融物に高濃度に濃縮され、最終的に月の地殻と月のマントルの間に薄いKREEP（カリウムK、希土類元素REE、リンPが豊富に含まれることからKREEPと名付けられた）中間層が形成されました。 KREEP 岩石には、ウラン (U)、トリウム (Th)、カリウム (K) などの放射性発熱元素が豊富に含まれています。

リモートセンシングデータによると、月面で最も新しい火山活動は、主に月の表側にあるクリップ・テレーンと呼ばれる場所（月の表側にある「キンモクセイの木」の位置）に分布しており、そこは月面全体で最も多くのトリウムが存在する場所でもある。そのため、KREEP コンポーネント内の放射性元素の崩壊によって発生する熱は、月面の長期的な火山活動を維持するための主なエネルギー源であると長い間考えられてきました。しかし、ストロンチウム（Sr）、ネオジム（Nd）、鉛（Pb）の高精度同位体分析の結果は、嫦娥5号の月マントルの起源領域がKREEP岩石の特徴とはかけ離れていることを示しています。

月の表側における玄武岩とトリウム (Th) 含有量の分布図。 A は米国のアポロ計画のサンプリング地点を表し、L はソ連のルナ計画のサンプリング地点を表します。￨画像出典：参考文献[6]より改変

最も新しい月の火山の熱源は謎のまま

嫦娥5号が持ち帰ったサンプルから得られた最初の一連の科学研究結果は、月の火山活動に関するこれまでの認識を大きく刷新し、月の熱進化の歴史についての疑問も提起した。月の直径は地球の3分の1以下です。表面積と体積の比率がこれほど大きい惑星は、急速に冷却され、地質学的寿命が早く終わり、マグマの活動が停止したはずだ。月の火山活動が20億年前まで続いたのはなぜでしょうか?

これまで、科学界では2つの推測がなされていた。月のマントルの岩石には熱源となる放射性発熱元素が豊富に含まれており、それが原因である、あるいは月のマントルには水が豊富に含まれており、岩石の融点を下げ、大量の熱を使わずにマグマを生成できる、というものである。しかし、嫦娥5号の起源領域にはKREEP成分も水も含まれていないため、月の地質学的寿命の秘密を解明するには、まったく新しい理論的枠組みや熱進化モデルが必要になる可能性がある。

嫦娥5号着陸地点では火山活動が複数回発生する可能性がある

月の海の玄武岩は主に月の盆地に分布しており、ほとんどが月の前面に見られます。これらは、100～400キロメートルの深さにある月のマントルが部分的に溶融することによって形成されると考えられます。地球上の同様の岩石と比較すると、TiO2含有量はより高く、変動も大きく、0.2～16.5重量%の範囲で、その差は約80倍です。このような広範囲にわたる組成の変動は、月のマントル深部の集積岩の分布の不均一性を反映しているだけでなく、月のマグマプロセスの高度な複雑さも反映しています。したがって、さまざまな種類の月の海の玄武岩を通じて、月の深部の物質の組成と、時間と空間にわたるマグマプロセスの進化を研究することができます。

比較的珍しい高チタン含有月の海の玄武岩（コード番号CE5C0000YJYX065）￨画像提供：パープルマウンテン天文台 [7]

2021年7月12日、中国科学院紫金山天文台は嫦娥5号の月の玄武岩サンプル2個の最初のバッチを入手した。高解像度マイクロCT、走査型電子顕微鏡、電子プローブなどの技術を使用して、サンプルの1つ（番号CE5C0000YJYX065）に対して詳細な鉱物化学と3次元トモグラフィーの研究が行われました。複数の証拠から、嫦娥5号で報告された中チタンおよび低チタンの月海の玄武岩タイプとは異なり、CE5C0000YJYX065は比較的珍しい高チタンの月海の玄武岩であることが示されており、これは、嫦娥5号の着陸エリアで歴史上複数の火山噴火があった可能性があることを示しており、月のマントル源領域と後期の月の火山活動におけるさまざまな物質組成の詳細な空間的および時間的分布パターンが明らかになることが期待されます。