火星にあった「海」はなぜ消失した？
约46亿年前に诞生した火星。その火星にはかつて大量の水があり、温暖温润な気候だったのではないかといわれています。川が流れた跡とみられる地形や、粘土鉱物など、これまでに火星の地表面に大量の液体の水があったと考えられる多くの痕跡が见つかっています。
しかし、现在の火星をみると、そこは酸化鉄を含む岩石や砂におおわれた极寒で乾燥した环境です。わずかな量の水蒸気や极域の氷は见つかっていますが、液体の水はありません。かつて存在した水はどこへ行ったのか？その谜を研究するのが、新领域创成科学研究科讲师の青木翔平先生です。「火星の水がなぜ失われ、现在のような姿になったのか。そのプロセスを解き明かしたいです」と话します。
これまで日本、イタリア、ベルギーの大学や研究所で、地上大型望远镜や惑星探査机に搭载した観测装置が取得したデータを使って大気の成分を解析し、惑星环境や大気の进化を调べてきました。2020年には、火星の水が宇宙へ消失していく过程の一部を明らかにした研究で、惑星科学?超高层大気研究分野で特に优れた若手研究者に赠られるベルギー王立科学アカデミーのバロン?ニコレ赏を受赏。翌年、东京大学卓越研究员に选ばれ、2022年に东大に着任しました。
「大気は生命や惑星の环境を决める非常に大きな要素です。火星の大気を理解することで、地球のような生命が育まれる惑星环境の条件が分かると考えています」
日本とヨーロッパで火星の大気を観测する
日々、探査机から送られてくるデータと向き合っている青木先生ですが、いわゆる「天文少年」だったわけではないと话します。「よく『あの星は何？』と闻かれますが、分かりません（笑）。いまも昔も特に『天文好き』というわけではないです」
そんな先生が惑星研究者の道を志したのは、甲子园を目指して坊主头で野球に打ち込んでいた高校时代。きっかけは「たまたま见た」という狈贬碍スペシャルの火星特集でした。宇宙のはじまりや、生命が存在する可能性など大きなテーマが取り上げられていて引き込まれたと振り返ります。「番组のところどころに研究者のインタヴューが挟まれていて、大学で火星の研究ができるのだと思い、兴味が涌きました」
その后、天文学を学べる大学を検索し、东北大学の理学部に入学。宇宙地球物理学科に进み、3年生の终わりごろから火星を中心とした惑星大気の研究を始めました。惑星の大気研究には、数値シミュレーションや、人工卫星に搭载する観测装置の开発といったさまざまなアプローチがあります。青木先生は、惑星探査机や大型望远镜の観测で取得したデータを使って大気の组成や温度、循环などを调べてきました。
「现在の火星は希薄な大気に覆われていて、その成分はほとんどが二酸化炭素です。そのなかに微量の水蒸気や一酸化炭素などの「微量大気成分」と言われる成分が存在します。それらの観测をすることで、惑星环境の进化や、水がどこに消えていったのかということを调べています」
大学院生时代には惑星轨道に到达している日本の惑星探査机がなかったため、当时最新の火星探査机だった欧州宇宙机関の「マーズ?エクスプレス」を使って、より深い分析がしたいと思いヨーロッパへ渡りました。イタリア宇宙科学研究所、ベルギー王立宇宙科学研究所、リエージュ大学で、火星大気の微量大気成分を测る贰虫辞惭补谤蝉ミッションなどの一员として大気成分の解析に取り组んできました。
そして探査机に搭载できない大型で高性能な装置で観测できるのが、地上にある大型望远镜。ハワイのマウナケア山顶域にあるすばる望远镜やチリのアタカマのアルマ望远镜など、标高4000-5000メートルの高地に行き、火星観测をしてきました。「全てリモートでも作业ができるのですが、それだと実际の现地の雰囲気は分かりません。现地に行けば、急に惑星からの信号が届かなくなって、外に出てみると云がかかっているといった空の様子も随时分かります。望远镜を动かしてくれる人にも直接指示をして、自分のやりたい手法で観测しデータを取ることもできます」
望远镜や観测机でさまざまな色の光のスペクトルデータを取得し、それらを解析することで、大気の中に含まれる成分の量などを推测できると话します。
火星には海があった
青木先生が长く取り组んでいる研究の一つが、火星にあった水の量を推定するための「同位体比」の観测です。軽水（贬2翱）と中性子が1个多い重水（贬顿翱）が含まれている自然界の水。火星にあった水の大半は色々な理由で宇宙空间に消失していったと考えられていますが、その际に重力を振り払う必要があるため、軽水の方が宇宙空间に逃げていきやすく、重水は重力に引かれ火星に残ると考えられています。この軽水と重水の比を调べ、地球の比と比较し火星にあった水の量を推定したところ、地球の6～7倍でした。海に换算すると北半球に水深约100メートルの海があったのではないかと推定できると説明します。
また、地表面から高度100 kmまでの水蒸気の分布を調べた研究では、火星の水は気温が暖かい時期に宇宙空間に消失していったことが明らかになったそうです。「火星には四季がありますが、南半球が秋や冬の温度が低い時期には水蒸気が氷になり、大気上層には行きません。ですが、気温が高くなる夏の時期には水蒸気は凍らないので、砂嵐を伴って大気が循環し、上層まで運ばれ宇宙空間に消失していくということが分かりました」
研究の醍醐味は、新しい惑星探査机が取得したデータを初めて见るときだと话す青木先生。「これまで见たことがないデータが取れるので、例えば新しい大気の成分が见つかったり、それまであると思っていた成分が见つからなかったりといった、今まで分かっていなかったことが分かります。望远镜も同じです。これまでとは违った波长で観测するなど新しい手法を使うことで、新しいことが分かるのです。その『はじめて见る』というのは心が跃ります」
2026年に打ち上げられる予定の、宇宙航空研究开発机构（闯础齿础）が主导するにもスペクトル分析チームの一员として参画しています。この世界初の火星卫星サンプルリターンミッションでは、火星の月「フォボス」に着陆し、火星から飞来する物质が含まれているとされるサンプルを採ってくる予定です。火星大気の気象や同位体比の観测も行う予定で、新たなデータの取得が期待されます。
今后は、火星と同様に太古に液体の水があった可能性のある金星の研究も进めていきたいと话す青木先生。2030年前后にはヨーロッパやアメリカが相次いで金星探査机を打ち上げる予定で、ヨーロッパの探査机のスペクトル分析チームの一员としてプロジェクトに参加する予定です。
「火星や金星といった地球型惑星の大気を体系的に理解したいと思っています。近年、太阳系の外での『第二の地球探し』が盛んにおこなわれていますが、系外惑星の大気観测で得られる情报が限られています。我々の太阳系での地球型惑星の环境や大気进化の理解を深めることができれば、第二の地球候补が见つかった时に、その知识が役立つと思っています。例えば『太阳系でいうと火星に当てはまる』などですね。そこに贡献していきたいです」
