「月に水がある証拠」は10年前のデータにあった 新事実を“発掘”した研究チームの挑戦
「月に水がある証拠」は10年前のデータにあった 新事実を“発掘”した研究チームの挑戦
月の地表近くに水が氷のかたちで存在する直接的な証拠を、米研究チームが発見した。これまでも月面に水が存在する可能性は指摘されてきたが、直接観測されたのは今回が初めてだ。その証拠は、実は10年も前に観測されたデータのなかに“潜んでいた”のだという。研究チームは、いかに過去のデータから画期的な証拠を見つけ出したのか。
NASAの無人月探査機「ルナー・リコネサンス・オービター（LRO）」によって撮影された月の北極の画像。PHOTOGRAPH COURTESY OF NASA/GSFC/ARIZONA STATE UNIVERSITY
月に水がある－－。こう題された記事を過去に見かけたことがあるかもしれない。これまでに多くの研究が、月に水が存在する可能性を指摘してきた。しかし、それらはあくまでも「高い可能性」だった。つまり、多くは分析結果に基づく間接的な推測や、水以外の水素系成分、例えばヒドロシ基（OH）なども含まれた結果を示していた。
しかし、米ハワイ大学やブラウン大学の研究者たちが2018年8月20日付で米科学アカデミー紀要に発表した論文が示すのは、月面の極域に水が氷の状態で存在する証拠が直接観測されたこと、そして氷は地表数ミリメートルの深さにあるという新事実だ。
水は将来月に降り立つ宇宙飛行士の生活用水になるだけでなく、水素と酸素に分解することでロケットや探査機などの燃料としても活用できる。このため、宇宙の貴重な資源として注目度が高まっている。
今回の論文から導き出された結果は、2008年から2009年の間に運用されていたインドの月周回機「チャンドラヤーン1号」に搭載されたNASAのレーダー「Moon Mineralogy Mapper（M3）」が取得した観測データの分析に基づいている。氷が観測されたのは、極域のクレーター内にある「永久影」と呼ばれる常に日陰となる領域だ。
この領域の内部は常にマイナス約170℃で保たれており、真空でも水が蒸発しない「コールド・トラップ」と呼ばれる。その中に氷が存在する可能性は、以前から指摘されていた。なお、水星や小惑星ケレスの極域のコールド・トラップでも、すでに水の存在が確認されている。
「見ようとしなければ、何も見えない」
研究チームはどのようにして、すでに手広く分析されてきたM3のデータから水の存在を確認できたのだろうか。
M3は月面の太陽光の反射を分析する機器だ。つまり、これまでの研究の多くは、太陽光が当たっている月面を対象としてきた。ところが今回のチームが挑んだのは、太陽光が届かない真っ暗な永久影である。つまり、通常の研究の真逆をいくもので、ある意味では無謀ともいえるものだった。
なかでも研究チームが着目したのは、永久影の周囲の地形だった。「アポロ計画の観察記録から、月面は細かい砂やゴツゴツした地形による反射光が散乱していることがわかっています」と、論文の主執筆者であり、米ブラウン大学とハワイ大学の研究者であるシュワイ・リー博士は語る。
永久影があるクレーターの壁や淵、そして周囲の高い地形が反射する太陽光によって永久影はごく微量ながら照らされている－－。リー博士は、そのように考えた。もちろん、間接的に照らされているため、レーダーが検知できるシグナルは非常に弱い。このため多くの研究者は、M3のデータセットから水の痕跡を探し出すことを諦めていた。
「今回のような信号をデータとして扱うには、その信号が月面から来ているのか、それとも単なる機器のノイズなのかを慎重に見極める必要があります」と、ブラウン大学の地球・環境・惑星科学科の助教授であり、論文の共同執筆者でもあるラルフ・ミリケン博士は言う。
初期の分析結果は確かに水の痕跡を示していたが、それは機器のエラーシグナルである可能性は十分にあった。「シュワイの最初のデータを見たとき、興味深い結果だと思いましたが、100パーセント信じ切れていませんでした」
それでもリー博士は、根気よくさまざまな統計モデルを使って何度もデータを検証した。結果、機器のノイズが水の痕跡を再現することはほぼ不可能に近いことが判明した。その後も、ほかの探査機のデータも取り入れた解析や検証モデルを通して、永久影内の水の観測に成功したのである。
「過去10年間、データは存在していたんです」とリー博士は話す。しかし、暗闇に包まれた永久影から太陽光の反射データが得られるとは、誰も予想しなかった。「見ようとしなければ、何も見えないのは当たり前です。でも、好奇心に任せてとりあえず見てみることで、最悪何も見えないし、何かあるかもしれない。だからサイエンスは面白いんです」
水資源の謎は続く
今回の発表によると、水氷は極域に複数ある永久影のクレーターのうち約3.5パーセントで存在が確認された。この少量でまばらな分布は、水の供給スピードが一定ではないこと、そして数十億年前に起こったとされる極移動が原因と考えられる。
極移動とは、北極と南極の位置が変動し、自転軸が移動する現象だ。大規模な火山活動や天体衝突などによって引き起こされるという。極移動に伴って氷が集まる永久影の場所も変わったことで、水の分布がまばらになったと研究チームは推測する。
また、水が存在する場所は極域のみとは限らない。リー博士とミリケン博士が昨年発表した別の論文では、水が極域以外にも広範囲で存在する可能性が指摘されている。ふたりは、アポロ計画中に地球に持ち帰られた月のサンプルとM3のデータを分析し、月面に広範囲に広がる火山性のガラス粒子内に水の存在を示す痕跡を検出した。
「個々の粒子に含まれる水の量は微小ですが、月面にはガラス粒子からなる堆積物が何トンも広がっています」とミリケン博士は説明する。もしこれらの地域で水が見つかれば、暗く地形が荒い極域に行かずとも水を採取できるかもしれない。しかし一度に見つかる水量は少ないだろう。
全体でどれくらいの量が眠っているのか、そして水がどこから来たのか、いまだに解明されていない。水分を含む隕石の衝突が原因かもしれないし、月の形成時に何らかのかたちで水分が混じり、それが火山活動によって地表に出てきた可能性もある。水を調べることは、月の歴史を解明することにもつながるのだ。
今後も極域を対象とした新たな観測ミッションを実行するか、センサーを積んだ探査車を月面に送り込む必要があるだろう。
月面のどこから調査すべきか？
そもそも月面の水氷はどうすれば採掘できるのだろうか。
「採掘方法は大きく分けて2通りあります」と、セントラルフロリダ大学の惑星科学者フィリップ・メッツガー博士は説明する。ひとつは、地中にある氷をそのまま溶かした気体を採取し、コンテナ内で液状化させる方法。この場合、大型の機械は必要ないものの、月面の環境下でどう土を熱するか、そして気化した氷が砂粒の間を通り抜けることができるかが疑問だ。
もうひとつの方法は、土壌ごと採取し、コンテナの中で蒸留させる方法だ。こちらは蒸留プロセスをある程度コントロールしやすいものの、大型な採掘機械が必要となる。現在どちらの技術も開発中だと言う。
「宇宙の経済を支える燃料として水を活用するには、一度に大量の水を採掘できる場所に向かうほうがいいでしょう」とメッツガー博士は言う。「つまり、月の南極か北極を探査するほうが効率的だと思います」
実際、すでに世界中で月を目指す動きが活発になっている。
東京に拠点をもつ民間月面探査企業ispaceは、シリーズAで累計103.5億円を調達した。ルクセンブルクと米カリフォルニア州に支社を置き、月までの輸送手段である着陸船と、月面を走行できる小型探査車の開発に取り組んでいる。同社は最初のミッションを2020年と2021年に予定している。
「今回の発見は、ispace含め宇宙産業にとって非常にプラスです。月の水資源への関心が高まりますし、将来のミッションにおける着陸地点の参考になります」と、ファウンダー兼代表取締役の袴田武史は言う。「このデータをベースに近い将来、わたしたちが月面で詳細な探査を行い、氷を見つけたいですね」
さらに、国家レヴェルでも再び月を目標とした動きが活発になりつつある。米国のペンス副大統領は今月23日、NASAは2024年までに月の周回軌道に宇宙ステーションを建設し、アメリカの宇宙飛行士を送り込むという野心的な目標を掲げた。NASAが開発を進める大型ロケット「Space Launch System」と有人宇宙船「Orion」を用いて、アメリカの有人宇宙プログラムを加速させることが目的だ。
月に水の存在が確認されたいま、これらの動きはさらに加速するだろう。まずは水の性質と量を理解することが重要だ。これからも、官民提携による月探査に注目していきたい。
