衛星・小惑星・彗星・隕石の話題を主に取り扱います。これら小天体は見過ごされがちですが、初期太陽系の情報を抽出する上で、「化石」のような場を提供しており、45億年前に何が起こったのかを知りたい人に特におすすめです。

世界で初めてC型小惑星へのタッチダウンに成功した、はやぶさ２に搭載されたカメラの観測成果がScience誌に掲載されました。C型小惑星のリュウグウがかつては太陽に接近するような軌道を持っていた可能性を報告していますが、なぜカメラの画像だけでそんなことが言えるのか、論文を詳しく見ていきましょう。

(目次)
0:00 C型小惑星へのタッチダウン
0:20 「リュウグウは太陽に接近していたかもしれない」
1:00 クレーターの層序
1:40 タッチダウン前後の表層の変化
2:29 リュウグウ表層の物質進化
2:50 表面を赤化する現象
3:17 スペクトルの明瞭な二分性
4:15 まとめ

(参考文献)
Morota et al. (2020) Sample collection from asteroid (162173) Ryugu by Hayabusa2: Implications for surface evolution. Science  Vol. 368, Issue 6491, pp. 654-659.
https://science.sciencemag.org/content/368/6491/654

JAXA プレスリリース．小惑星探査機「はやぶさ２」観測成果論文のScience誌掲載について
https://www.jaxa.jp/press/2020/05/20200508-1_j.html

【画像素材】
NASA, Goddard Space Flight Center, 宇宙航空研究開発機構/宇宙科学研究所（JAXA/ISAS）

【字幕全文】
地球に向けて帰還中の日本の小惑星探査機 はやぶさ２。
2019年2月21日に、世界で初めてC型小惑星へのタッチダウンに成功し、
サンプルを回収したと見られています。

この時のタッチダウン運用で得られたカメラの観測成果が
2020年5月7日のScience誌に掲載されました。

この論文のポイントは
「C型小惑星のリュウグウが昔はもっと太陽に接近していたかもしれない」
という可能性を示唆したことです。

C型小惑星は、
炭素や有機物を豊富に含むと考えられる始原的な小惑星で、
太陽から遠く離れたメインベルトの外側に多いことが知られています。

そんなC型小惑星の一つが、実は昔太陽に接近していたという
この論文の主張が本当ならば、惑星科学の常識を覆すような
一大事になるわけです。

しかしちょっと待ってください。
まだサンプルすら回収できていないのに、
カメラの画像だけでなぜそのようなことが言えるのでしょうか。

こういう個人的な疑問もあったので、
皆さんと一緒に論文を詳しく見ていきたいと思います。

まずは低高度で観測された
リュウグウ表面の画像を見ていきましょう。

いくつかのクレーターがありますが、
特に黄色い矢印で示されたクレーターに注目してください。

同じ場所を今度はマルチバンドカメラで見てみましょう。
この画像では可視と近赤外の
二つの波長で撮った反射率の比をとっています。
スペクトル的に赤いクレーターと、
青いクレーターが存在することがわかります。
先ほどの黄色い矢印で示されたクレーターは
全て青いクレーターを示しています。

青いクレーターと赤いクレーターの重なり方に注目しましょう。
どちらが上で、どちらが下にあるでしょうか。
青いクレーターが、赤いクレーターの上に重なっていることがわかります。
このことから、赤いクレーターが最初にできて、
青いクレーターは後にできたことがわかります。

次にタッチダウン地点周辺の より狭い領域での画像を見てみましょう。
はやぶさ２はタッチダウンした後に表面から離脱するため、
スラスターを噴きましたが、その時ガスに吹き飛ばされた
大量の微粒子が舞い上がり、タッチダウン地点の周辺に堆積しました。
この時堆積した微粒子が黒く見えているのがわかるかと思います。

タッチダウンの前後でスペクトルを見比べると、
最初は青かったのが、後になると赤くなっています。
つまり、もともと内部の物質は青かったのですが、
周りにあった赤い物質が堆積することで、
表面が赤くなってしまったということです。

このことから、もともとのリュウグウ内部にある物質は青かったのが、
表面に露出して時間が経過するうちに、
赤い物質に変成していったと考えられます。

このことを最初に見た、赤いクレーターは古く、
青いクレーターは新しい、という観測事実と照らし合わせてみましょう。

これらの特徴から以下の解釈が成り立ちます。

リュウグウの表面ではある時期に表面を赤くするような
何らかのイベントが起きて、古いクレーターが赤くなってしまったこと、
そして、このイベントの後にできたクレーターは、
衝突によって地下にある青い物質を表面に露出させたので、
新しいクレーターは青い、という解釈が成り立ちます。

では今まで散々出てきた、赤いとか青いってどういうことでしょうか。
月や小惑星の表面では、太陽の日射や、宇宙線、
微小隕石や宇宙塵が常に降り注いでいます。
こういった現象によって、月や小惑星の表面は
スペクトル的に赤くなっていくことが知られています。
こういった現象を総称して宇宙風化と呼びます。
リュウグウ表面でも宇宙風化によって
表層の物質が変成したと推測されます。

では具体的にリュウグウの表面を赤くしたイベントは
太陽の日射、宇宙線、微小隕石のどれなのでしょうか。

今回の観測から、赤いクレーターと青いクレーターが
明瞭に2種類に分かれることがわかりました。
つまり赤と青の中間の色をとるようなクレーターが
ほとんど存在しないのです。

このことは、リュウグウ表面を赤くしたイベントが、
地質学的に短い時間に起こったことを示しています。

先ほど考えた３つの可能性のうち、
宇宙線や微小隕石のフラックスが突然上昇するというのは
考えにくいです。
もしそうなら、月や地球にも顕著な影響が出るはずですが、
今のところそのような痕跡は確認されていません。

では太陽の日射はどうでしょうか。
もし過去にリュウグウが太陽の近くを通るような軌道を持っていたら、
太陽放射が短期間に急上昇することができます。

これによって今回の論文の主張
「リュウグウが昔は太陽に接近していたかもしれない」
が導かれました。

また青いクレーター年代の推定から、
リュウグウ表面を赤くした現象、
つまりリュウグウが太陽に接近するイベントが起きたのは、
30万年前から800万年前の間だと推定されました。

いかがでしょうか。
この論文の主張が本当に正しいかどうかは、
最終的にはサンプル分析の結果でわかるでしょう。
実は論文を読んで、いくつか弱点があることもわかったので、
興味ある人はコメント欄をご参照ください。

はやぶさ２は今年の年末に地球に帰還する予定です。
今から楽しみに待ちましょう。

それでは今回もご視聴ありがとうございました。
面白かったという方は、ぜひチャンネル登録して頂けると嬉しいです。
皆さんのご支援が、次回の動画を作成する時の、大きな励みとなります。
内容についてご意見がある方は、コメント頂けると幸いです。
よろしくお願いします。

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EARTH_SCIENCE

なぜはやぶさ２の観測から小惑星リュウグウが太陽に近づいたと言えるのか？【論文紹介】

何十年もの間、月の起源は巨大衝突説が最も有力と考えられてきました。しかし最近かぐや探査機によって発見された月面からの炭素放出が従来の定説に大きな疑問を投げかけています。果たしてかぐやの発見は巨大衝突説を覆すのでしょうか？

【目次】
0:00 巨大衝突説
0:33 新たなデータによる矛盾
1:00 太陽風や微小隕石による外部からの物質供給
1:25 かぐやの新発見
2:01 ポイント1：炭素の空間的な不均一性
2:30 ポイント2：炭素放出量の比較
2:53 巨大衝突説の修正

【参考文献】
S. Yokota et al. (2020) KAGUYA observation of global emissions of indigenous carbon ions from the Moon. Sci. Adv. 2020; 6 : eaba1050
https://advances.sciencemag.org/content/6/19/eaba1050

宇宙空間に流出する月の炭素を初観測（大阪大学プレスリリース）
https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2020/20200507_1

【画像素材】
NASA, Goddard Space Flight Center, Space Engine, 大阪大学, Southwest Research Institute

【字幕説明】
月はどのように誕生したのか。
惑星科学において最も古典的でありながら最大の謎の一つです。
何十年ものあいだ、月の起源は
巨大衝突説が最も有力と考えられてきました。
この説の大きな根拠となってきたのが、アポロ計画で採取された
月面の石は水や炭素などの揮発性物質が著しく欠乏している、
という観測事実です。

つまり、原始の地球に巨大衝突が起きた時に、
高温になった岩石から
揮発性の高い水や炭素が蒸発して失われてしまった
と考えられてきました。

しかし近年、このシナリオと矛盾するような
観測データが報告され始めています。

分析装置の発展によって、再びアポロの月面試料を測定したところ、
微量ながら水や炭素などの揮発性物質が発見されたのです。
また、様々な月周回衛星のリモートセンシング観測から、
月面には微量の水が存在していることも確認されました。

こういった観測事実は、巨大衝突の後に、月から揮発性物質が
全て失われたとする従来の定説と矛盾するように見えます。

しかし大気のない月面には、太陽風や微小隕石の衝突などによって、
常に宇宙空間から物質が降り注いでいます。
こういった現象によって、月面には外部から常に水が供給されるため、
必ずしも巨大衝突説と矛盾するものではありません。

しかし月 内部の深いところから来たと考えられる
月隕石からも水が検出されており、
巨大衝突説に対する疑念の声が高まっているのも事実です。

このような状況で今年の5月6日にScience Advancesに掲載された
日本の月探査機「かぐや」の観測データが
大きな衝撃を巻き起こしました。

2007年から1年半にわたって、月面から放出されたイオンのデータを
大阪大学らのグループが解析したところ、
想定を上回る量の炭素イオンが放出されていたことを発見したのです。

このデータをどのように解釈すべきでしょうか。

月には揮発性物質が存在しないとする従来の
巨大衝突説と矛盾するデータと見なすのか、
あるいは太陽風や微小隕石によって
月面に供給された炭素であると解釈するのか。

この論文のポイントは二つあります。

太陽風や微小隕石は月面のあらゆる方向から概ね均等に
照射されます。
そのため、もし太陽風や微小隕石によって
炭素が供給されたのであれば、
月面のあらゆる場所から均等に炭素が放出されることが期待されます。

しかし、かぐやの観測データは、月面からの炭素放出が均等ではなく、
場所によって強いところと、弱いところがあることを示していました。
特に、月の海、地質活動によって内部からマグマが噴出した場所で、
炭素の放出量が強いことが明らかになりました。

もう一つのポイントは観測された炭素イオンの量です。
かぐやで観測された炭素イオンの放出量は、
太陽風や微小隕石から供給される炭素量の推定値よりも
2倍以上大きいことがわかったのです。

これによってかぐやで観測された月面の炭素は、
外部から供給されたものではなく、
月がもともと内部に保持していた炭素が
現在も宇宙空間に流出しているものであることを示唆しています。

それでは、この論文によって巨大衝突説は覆るのでしょうか。
残念ながら話はそんなに単純ではありません。
月に関しては様々な観測事実があり、これら全てを最も整合的に
説明できるのが巨大衝突説であり、今後も優位は揺るがないでしょう。
しかしかぐやの観測データが、
従来の定説に大きな修正を迫るものであることは事実です。

実際に最近では、巨大衝突でも、
揮発性物質があまり欠乏しないような理論モデルも報告されています。

今後かぐやの論文が、月の起源に対する考え方を一歩前進させる
重要な役割を果たすことになっていくでしょう。

それでは今回もご視聴ありがとうございました。
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かぐやが発見した炭素放出は月の起源を覆すか？【論文紹介】

これまで冥王星に関するニューホライズンズのデータ解析は、表側に集中していましたが、最近出版された論文で、フライバイ時に探査機からは見えなかった裏側の解析も行われました。その結果、内部海の痕跡や冥王星の気候に関連する地形など、重大な発見と共に新たな謎も生まれましたので、解説します。

(目次)
0:00 謎に満ちた冥王星の裏側
1:24 カオス地形の発見
2:36 巨大な亀裂
3:09 剣状地形
4:22 冥王星への再探査

(参考文献)
S.A. Stern, O.L. White, P.J. McGovern, et al. Pluto's Far Side, Icarus, 2020, 113805, ISSN 0019-1035,
https://doi.org/10.1016/j.icarus.2020.113805.

C.A. Denton, B.C. Johnson, A.M. Freed, et al. Seismology on Pluto? Antipodal Terrains Produced by Sputnik Planitia-forming impact. 51st Lunar and Planetary Science Conference, 1220, 2020.
https://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2020/pdf/1220.pdf

J.M. Moore, A.D. Howard, O.M. Umurhan, et al. Bladed Terrain on Pluto: Possible origins and evolution. Icarus 300, 129-144, 2018.
https://doi.org/10.1016/j.icarus.2017.08.031

Shannon Hall. Pluto’s dark side spills its secrets — including hints of a hidden ocean. Nature. 2020
https://www.nature.com/immersive/d41586-020-02082-1/index.html

(映像素材)
NASA/Ames, JHUAPL, SwRI, SpaceEngine, Lockheed Martin

(字幕全文)
2015年に冥王星をフライバイしたNASAのニューホライズンズ探査機。
この時の観測によって、
それまで太陽系最果ての死んだ冷たい天体だと思われていた冥王星が、
驚くほど地質活動に富む天体であることがわかり、
近年の惑星科学における最大級の発見となりました。

しかしこれまでニューホライズンズの観測データにおいて、
主に解析されてきたのは、冥王星表面の半分ほどでしかありません。
冥王星の自転周期は6.3日、
それに対して探査機のフライバイはわずか数時間の出来事なので、
高い空間分解能で観測できた地域は、
探査機から見えた冥王星の約半分の地域、
ちょうど衛星カロンの反対側の領域だけでした。

今年の4月に惑星科学の専門誌 イカルスで発表された論文で、
最接近時には見えなかった冥王星の裏側の領域、
ちょうどカロンのほうを向いている地域に関するデータが報告されました。

冥王星の裏側は、ニューホライズンズが最接近する何日も前から、
探査機搭載のモノクロ望遠カメラやマルチバンドカメラで撮像されています。
最接近時の表側の画像に比べたら、解像度が20から50倍も悪いですが、
それでも地球軌道からハッブル宇宙望遠鏡で撮像するよりも、
250倍も解像度が高いので、非常に貴重なデータと言えます。

裏側の画像解析によっていくつもの重要な発見があったと同時に、
新たな謎も生まれています。

一つめは、表側にあるスプートニク平原とちょうど反対側の領域に、
カオス地形が存在する可能性があることがわかった点です。
カオス地形は、尾根や亀裂、平地がぐちゃぐちゃに混ざったような地形で、
太陽系では火星や水星、エウロパなどで発見されています。
このような地形を作った原因として考えられているのが、天体衝突です。
衝突地点から発生した衝撃波が天体を伝わっていき、
ちょうど衝突地点の反対側で収束した結果、
このようなカオス地形を生んだという仮説があります。

この仮説にもとづいて、
今年開かれた惑星科学の国際学会LPSCで発表された研究では、
冥王星の内部構造のパラメータを振って、
衝突数値シミュレーションを行ったところ、
冥王星の地下に厚さ150kmの内部海が存在しないと、
このような地形が発生しない、ということが示されました。
これまで、表側にあるスプートニク平原の存在から、
冥王星の内部海の存在は確実視されてきましたが、
海がどの程度の厚さで、どのぐらいの規模で広がっているのか、
いまだによくわかっていないため、
この研究は重要な制約を与えてくれそうです。

ただし、裏側の画像は解像度が悪いため、
そもそもカオス地形が本当に存在するのか疑問視する研究者もいます。

二つ目の重要な発見は、表側に見られた巨大な亀裂が、
冥王星の北極を通って、裏側まで続いていることが確認されたことです。
似たような地形は、地球では東アフリカ大地溝帯で確認されており、
こちらは大陸の分裂によって生じていますが、
冥王星の場合は海が冷えて凍るにつれて体積が膨張したことで、
亀裂が生じたと解釈することができます。
こういった天体規模の巨大な亀裂が存在するということは、
従来の想定よりも、
内部海が全球的に広がっている可能性があることを示唆しています。

そして、三番目の発見はさらに衝撃的なものでした。
高層ビルよりも高い、
ナイフのように尖った氷の柱が何本も突き立った地域が、
裏側にも多数発見されたのです。
こういった剣状地形は2017年に表側でも発見されていましたが、
今回の論文で裏側には剣状地形が、
さらに大規模に広がっていることがわかりました。
剣の成分はメタンの氷であることがわかっていますが、
その成因については謎に包まれており、二つのモデルが提唱されています。
一つめのモデルは、冬によく見られる霜と同様に、
大気中のメタンが凍って降り積もってできたとするもの。
もう一つのモデルは、古いメタンの氷の層が太陽光によって昇華し、
浸食されて形成したというもの。
地球上では、ペニテンテと呼ばれる、
似たような剣状地形がアンデス山脈で確認されています。
ただしペニテンテは数メートルの高さなのに対して、
冥王星の剣状地形は高さ1kmにも達します。
ペニテンテは2番目のモデルで説明されていますが、
冥王星の剣状地形の向きは、必ずしも太陽の方向とは一致しないため、
全てをこのモデルで説明するのは難しいと考えられています。
一方で最初のモデルも、
明るい霜のような成分が発見されていないことから、
こちらも弱点があります。

これらの新たな謎を解き明かすには、再び探査機を送り込んで、
解像度の高い裏側の画像を得る必要がありますが、
2030年代または2040年代に打ち上げたとしても、
冥王星に到達するにはさらに15年間かかります。
多くの革命的な発見を成し遂げたニューホライズンズ探査機は、
一方で未解決の難問を将来の世代に残していきました。
人類が再び太陽系の外側に挑戦する日は来るのでしょうか。

それでは今回もご視聴頂き、ありがとうございました。
冥王星をフライバイした後に、
ニューホライズンズ探査機はカイパーベルト天体
アロコスの観測も行っています。
この時の観測結果を解説する動画も以前制作しましたので、
興味のある方はご視聴ください。
よかったらチャンネル登録していただけると嬉しいです。
それではまた。

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冥王星の裏側に隠された内部海の痕跡（NASA New Horizons探査）【論文紹介】

彗星内部には45億年前に形成された当初の姿を保存したままの、非常に始原的な氷が存在すると考えられています。2014年にチュリモフ・ゲラシメンコ彗星に着陸を試みたESAの着陸機フィラエは表面でバウンドしてしまいましたが、今年Natureで発表された論文で、2回目のタッチダウンの時に彗星内部の氷を露出させていたことがわかりました。そして画像解析と探査機の軌道解析から、彗星内部の氷は極めて柔らかいことが判明しました。

(目次)
0:00 フィラエの着陸
0:58 2回目のタッチダウン
1:22 露出した内部の氷
2:14 圧縮の痕
3:13 カプチーノより柔らかい氷
3:36 不均質な彗星核

(参考文献)
O’Rourke, L., Heinisch, P., Blum, J. et al. The Philae lander reveals low-strength primitive ice inside cometary boulders. Nature 586, 697–701 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2834-3

Heinisch, P. et al. Compressive strength of comet 67P/Churyumov–Gerasimenko derived from Philae surface contacts. Astron. Astrophys. 630, A2 (2019).
https://doi.org/10.1051/0004-6361/201833889

Groussin, O. et al. Gravitational slopes, geomorphology, and material strengths of the nucleus of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko from OSIRIS observations. Astron. Astrophys. 583, A32 (2015).
https://doi.org/10.1051/0004-6361/201526379

(画像素材)
ESA/ATG medialab/Rosetta/MPS for OSIRIS Team/MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA, SpaceEngine, Pexels

(字幕全文)
2014年11月12日、欧州宇宙機関の彗星探査機ロゼッタから着陸機フィラエが放出され、チュリモフ・ゲラシメンコ彗星への着陸が試みられました。
フィラエは装備された銛を彗星表面へ突き刺して着陸する予定でしたが、銛が上手く作動せず、表面でバウンドして行方不明となりました。
その後2年間、フィラエを発見するために数千枚に及ぶ画像解析が行われ、ロゼッタ・ミッションの終了直前になって、傾斜90度以上の崖の下の隙間に着陸機が挟まっていることが発見されました。
フィラエは最初のタッチダウンの後に、彗星表面をかすめるように衝突して、さらに2回のタッチダウンを経てこの場所に落ち着いたことがわかっています。
これまでの研究では、最初と最後のタッチダウン地点周辺の観測データから、彗星核の物理的特性が報告されていましたが、2回目のタッチダウンのデータから何が言えるのかはわかっていませんでした。
今回紹介する、2020年10月28日にネイチャーで発表された論文では、2回目のタッチダウンの時のデータから、彗星内部の始原的な氷に関して貴重なデータが報告されました。

まず、ロゼッタで得られた数千枚もの画像を用いて、彗星表面の詳細な形状モデルが作られ、フィラエがどのような軌跡を辿ってバウンドしたのか解析が行われました。
この中で特に注目すべき画像が、フィラエが最終的に落ち着いた場所の近くにあった、二つのボルダーの間が白くなっている箇所です。
まるで何かがボルダーを切って、切断面が明るくなっているように見えます。

フィラエの着陸前後の画像解析から、切断面が探査機の形状と一致することがわかり、またスペクトルデータから、切断面に水氷が豊富に含まれていることも判明しました。
フィラエが姿勢のコントロールを失って彗星表面をバウンドした際に、偶然氷のボルダーを切ったようです。
測定された切断面の反射率から、このボルダーの氷の割合は30%程度と推定されました。
これまでチュリモフ・ゲラシメンコ彗星の平均的な氷の割合は、25%以下であることが報告されていますので、このボルダーには比較的氷が豊富に含まれていたようです。

また、切断面には探査機の形状による圧縮の痕が残されており、画像解析から、ボルダーの表面が深さ25cmにわたって圧縮されたこともわかりました。
この25cmという数字が重要なデータを生み出すことになります。

物質を圧縮していくと、力を加えていくにつれて物質がどんどん固くなっていきます。
この時、圧縮による形状変化と、圧縮にかかった時間を測定することで、物質の圧縮強度を求めることができます。

先ほどボルダーが25cm圧縮されたことがわかりましたが、それではもう一つのデータ、圧縮にかかった時間をどのように測定したのでしょうか。
フィラエには磁力計が搭載されており、一種のジャイロスコープのような役割を果たすことで、探査機の姿勢や速度の変化を読み取ることができます。

こちらのグラフは横軸が時間、縦軸が磁力です。
ここから、探査機が氷の圧縮に要した時間は3秒間だったことがわかりました。

これらのデータから、フィラエが圧縮した氷のボルダーの圧縮強度は12Pa以下だったことが判明しました。
これは降ったばかりの新雪やカプチーノの泡より柔らかいことを意味します。
氷がこれほど柔らかいということは、氷内部の空隙率が極めて高いことも意味しており、実際に、空隙率が75%に達するとの見積もりも得られました。

一方で興味深いことに、フィラエの最初のタッチダウンと最後のタッチダウンの時には、表面物質の圧縮強度は1kPaや2MPaと見積もられています。
このことから、彗星表面には極めて柔らかい場所と硬い場所が、不均一に分布していることが裏付けられました。

これまでチュリモフ・ゲラシメンコ彗星表面での画像解析から、彗星表面物質の圧縮強度が局所的には数十Pa程度であることが、間接的には示唆されてきましたが、それらの推定はモデルに強く依存していました。
そのため、探査機によるボルダーの圧縮という、より直接的な手法で計測した本論文は極めて重要な意義を持っており、ネイチャーに掲載されるに至った強い理由になったと考えられます。

それではご視聴いただき、ありがとうございました。
次回もお楽しみに。

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フィラエ着陸機が観測したチュリモフ・ゲラシメンコ彗星内部の始原的な氷【論文紹介】

2019年の元旦にNew Horizons探査機によってフライバイ探査されたカイパーベルト天体アロコス（旧称ウルティマトゥーレ）。この時点ではまだあまり探査機からのデータが降ろされていませんでしたが、今年の3月に追加で受信されたデータを使った解析結果がScience誌で3本立て続けに出版されましたので、専門家の視点で解説します。

(目次)
0:00  太陽系の遺跡
0:52  ニューホライズンズによるフライバイ探査
1:23  奇妙な形状からわかること
2:04  原始太陽系で起こっていた”ゆっくり”衝突
3:01  謎の赤い物質
4:10  探査機の次の進路

(参考文献)
1. Spencer et al., Science 367, 998 (2020) The geology and geophysics of Kuiper Belt object (486958) Arrokoth.
https://doi.org/10.1126/science.aay3999
2. Grundy et al., Science 367, eaay3705 (2020) Color, composition, and thermal environment of Kuiper Belt object (486958) Arrokoth.
https://doi.org/10.1126/science.aay3705
3. McKinnon et al., Science 367, eaay6620 (2020) The solar nebula origin of (486958) Arrokoth, a primordial contact binary in the Kuiper Belt.
https://doi.org/10.1126/science.aay6620

【画像素材】
NASA, JPL, JHU/APL, Pixabay, Space Engine

【字幕説明】
太陽系の起源を解明することは、惑星科学の究極の目標です。
そのためには、考古学や古生物学で行われているのと同様に、
なるべく古い天体を観測して、
失われた原始太陽系の情報を引き出す必要があります。

現在太陽系の内側に存在する多くの惑星や小惑星は、天体衝突や、
熱による変成によって、太陽系誕生時の情報はほとんど残っていません。

それでは古い天体はどこに残っているのでしょうか。

太陽系の外側の領域はカイパーベルトと呼ばれ、
惑星が誕生した時の痕跡を、現在も保持する
化石のような場所だと考えられてきました。

しかしこれほど遠いと太陽の光がほとんど届かないため、
これまでは望遠鏡で観測してもわずかな情報しか得られませんでした。

そのため、実際に探査機によって観測することで、
カイパーベルト天体の実態を明らかにすることが求められていたのです。

およそ1年前の2019年1月1日に、NASAのニューホライズンズ探査機が
史上初めてカイパーベルト天体 アロコスをフライバイ探査しました。

アロコスの雪だるまのような形状は、世界的に大きな話題となりましたが、
この時点ではまだ観測データがほとんど受信されていなかったため、
アロコスの起源はあまりよくわかっていませんでした。

今年の2月28日に、探査機から送られた追加データをもとに
解析した論文がサイエンス誌に3本公開されましたので、
新たに何がわかったのか見ていきましょう。

まず注目すべきはアロコスの形状です。見るからに二つの小天体が
くっついたような形状をしており、バイナリ天体と呼ばれています。

こういった二重性は、これまで発見された彗星や小惑星の一部にも
確認されていました。彗星の場合、不均一に表層物質が昇華することで
バイナリー形状になる可能性がありますが、アロコスの場合は、
温度が非常に低く、物質がほとんど昇華しないため、
このシナリオは除外されます。

またアロコスが、より大きな母天体が破壊されてできた破片だという
可能性もほぼ否定されました。

アロコスの形状を説明するために、論文では二つの球状部分が接触した
首の部分に着目しました。この部分を詳細に調べたところ、
圧縮されたような痕跡がみられなかったことから、二つの天体が
非常に遅い速度で、おそらく秒速数m程度で、
衝突して合体したと結論づけられています。

こういった低速度の衝突は、原始太陽系円盤では
普遍的に見られた現象であると考えられます。
太陽系誕生時は、まだ星間ガスが太陽系中に
充満しており、ガスとの摩擦によってダストや微惑星は抵抗を受けるため、
衝突速度は遅かったと予想されています。しかし、現在の太陽系には、
ガスはもう充満していないので、このような低速度の衝突は
ほとんど起きません。アロコスの形状は、45億年前に原始太陽系円盤で
起こった珍しい現象の痕跡を、私たちに見せてくれたわけです。

またアロコス表面のクレーター年代も推定されました。
解像度が荒いため、カウントされたクレーターは多くないものの、
表面年代は40億年以上と推定されました。

これまでカイパーベルト天体が始原的なことは
理論的には予想されてきましたが、ニューホライズンズのデータによって
初めて観測的に実証されたことは、惑星科学にとって大きな成果です。

またアロコス表面は赤い色が強いことも確認されました。

こういった赤い天体はカイパーベルトではよく発見されていますが、
太陽に近い内側の領域ではあまり見られません。
このことから謎の赤い物質は、太陽光などによって加熱をうけると
変成して消滅してしまうような、熱力学的に不安定な物質であると
推測されています。この謎の物質の実態はまだよくわかっていませんが、
有機物ではないかと推測されてきました。

実際に今回の論文では、最も単純な有機物の一種である、
メタノールの吸収を確認したことを報告しています。

一方で意外な結果もありました。
低温領域に普遍的に存在するはずの水氷の
吸収がアロコス表面に見られなかったのです。
このことから、論文の著者らは、
水とメタンの氷の混合物に宇宙線が長い間照射された結果、
水分子が破壊されて、有機物と結合し、
スペクトルが赤くなったと推測しています。

こういった極低温領域での化学反応はまだまだ研究が進んでいない
分野ですが、太陽系の外側で生成された有機物が内側に
運ばれることもあったでしょう。アロコス表面で観測された有機物は、
はるか昔に地球に運ばれて、
生命の基となった物質の名残りなのかもしれません。

ニューホライズンズはこの後どの天体に向かうのでしょうか。
探査機の燃料は残り少なく、また太陽系を急速に脱出しつつあるので、
早く次の天体を見つけて軌道修正しないといけないのですが、
次の探査天体を発見するための頼みの綱である、各地の地上望遠鏡が、
新型コロナウィルスのため閉鎖されている状況なので、
なかなか大変なようです。皆さんも健康にはお気を付けください。

それでは今回もご視聴ありがとうございました。
面白かったという方は、ぜひチャンネル登録をお願いします。
皆さんのご支援が、次回の動画を作成する時の、
大きな励みとなります。また、内容について、ご意見がある方は、
コメントでご指摘頂けると幸いです。よろしくお願いします。

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太陽系最果ての奇妙な天体アロコス。NASA New Horizons探査機の観測結果【論文紹介】

2020年7月21日にNature Communicationsで発表された論文で、月探査機かぐやの画像データを用いたクレーター数密度の測定によって、約8億年前に地球と月に隕石シャワーが降った可能性が示されました。この論文のポイントを解説します。

(目次)
0:00 地球の衝突史
0:45 かぐやのデータを用いたクレーター年代学
1:51 コペルニクスの形成年代の矛盾
3:07 8億年前のスパイク・モデル
4:11 地球環境への影響
4:33 クレーター年代学の注意

(参考文献)
Terada, K., Morota, T. & Kato, M. Asteroid shower on the Earth-Moon system immediately before the Cryogenian period revealed by KAGUYA. Nat Commun 11, 3453 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41467-020-17115-6

Zellner, N.E.B. and Delano, J.W. 40Ar/39Ar ages of lunar impact glasses: Relationships among Ar diffusivity, chemical composition, shape, and size. Geochimica et Cosmochimica Acta 161, 203-218 (2015).
https://doi.org/10.1016/j.gca.2015.04.013

Hiesinger, H., van der Bogert, C. H., Pasckert, J. H., Funcke, L., Giacomini, L., Ostrach, L. R., and Robinson, M. S. (2012), How old are young lunar craters?, J. Geophys. Res., 117, E00H10.
https://doi.org/10.1029/2011JE003935

(映像素材)
Pixabay, SpaceEngine, Rice University, Lunar and Planetary Institute, NASA, ESA, JPL, 大阪大学, 中国中央電視台(CCTV)

(字幕全文)
地球史において、天体衝突が気候や生命の進化に与えた影響は甚大なものがあります。約5億4千万年前のカンブリア大爆発以降、生命は少なくとも5回の大量絶滅を経験しており、そのうち約2億年前の三畳紀末大量絶滅と、6500万年前の白亜紀末大量絶滅に関しては、天体衝突が原因であった可能性が指摘されています。

しかし地球の表層は浸食や地質活動によって常に更新されていくので、これよりも古い時代の衝突史に関してはほとんどわかっていません。そのため、表面更新が少ない月面のクレーター数密度を調べることで、地球―月系の衝突史が制約されてきました。

2020年7月21日にNature Communicationsで発表された論文で、月探査機かぐやの画像データを用いたクレーター数密度の測定によって、約8億年前に地球と月に隕石シャワーが降った可能性が示されました。

この論文のポイントは直径20km以上の大きなクレーターのそばにある、直径100mから1kmの小さなクレーターを数えたことです。大きなクレーターは周囲に放出物（イジェクタ）をまき散らすため、それ以前に存在した周囲の古い地形を覆い隠します。そのため、大きなクレーターの付近に存在する、小さなクレータをマッピングしてサイズと数密度を調べることで、大きなクレーターの形成年代を調べることができます。

月の全球で59個の新鮮な形状の大きなクレーターを調べたところ、そのうち8個のクレーターがほぼ同じ年代に形成されたことがわかりました。これは偶然なのでしょうか。モンテカルロ計算の結果、8個のクレーターが偶然同じ年代に形成される確率は、わずか0.69%であることがわかりました。つまり偶然である確率は統計的に極めて低いことがわかります。

ところがここで困ったことが起きました。同時に形成された8個のクレーターはいずれも年代が、6億6千万年前と見積もられましたが、この中にコペルニクスクレーターも含まれていたのです。これまでの研究からコペルニクスクレーターの形成年代は、約8億年前と見積もられています。この年代はクレーター年代学に加えて、アポロで採取された月の土壌の年代分析によって見積もられているため、より正確だと考えられます。

この差をどう考えるか。論文では次のように考えました。まずコペルニクスの形成年代は、土壌の放射年代である8億年前が正しいはず。したがってクレーター年代学によって推定された、コペルニクスの形成年代も8億年前になるべきである。この差が生じた原因は衝突フラックスの仮定に問題がある。最初の仮定では、衝突フラックスが過去30億年の間、ほぼ一定であるというモデルを仮定していました。これは今まで先行研究でも使われてきた仮定ですが、コペルニクスに関して間違った年代を出してしまいます。そこで論文の著者らは、8億年前に衝突フラックスが一時的に増加するようなモデルを考えました。こうすることでコペルニクスも含めて59個のうち、17個のクレーターの形成年代が8億年前付近となりました。

次にこの仮定は妥当であるのかを考える必要があります。本論文でこの仮定の根拠とされた間接的な証拠が二つあります。１．アポロサンプルの同位体年代測定から約8億年前に、衝突フラックスが一時的に増加した可能性が示唆されたこと。２．小惑星 オイラリア族の母天体が約8億年前に分裂したことが、軌道計算から示唆されたこと。こういった知見を総合すると、約8億年前に分裂した小惑星の一部が、地球や月に衝突した、というシナリオが導かれました。

こういった衝突が短期間に集中したのか、またはある程度長期間にわたって散発的に起こったのかはわかりません。この論文ではオイラリア族の分裂年代、コペルニクスクレーターの放射年代の誤差、そして同時代に形成された8つのクレーターの形成年代のばらつきから、小惑星シャワーが起こった期間は3000万年間程度と見積もっています。

またこの期間に地球に飛来した小惑星シャワーの総量は、白亜紀末の大量絶滅を引き起こした天体衝突の、数十倍と見積もられました。

このような大規模な小惑星シャワーが発生したとすると、地球環境へはどのような影響があったのでしょうか。8億年前の地質学的記録はあまり残っていないため、現時点ではあまりよくわかりませんが、全球凍結の直前に地層中のリン濃度が増大したという報告があります。天体衝突によって地球外からリンが供給されたのかもしれません。

最後に、クレーター年代学は強力なツールですが、年代を決定する完全な手法ではないことに注意する必要があります。クレーター年代は仮定した衝突フラックスのモデルや、解析した場所、注目するクレーターのサイズにも大きく影響されます。年代を完全に決定するにはやはりサンプルリターンが必要となります。

奇しくも今年末には中国の月探査機「嫦娥5号」が、およそ半世紀ぶりに月からのサンプルリターンを行います。嫦娥5号では若い月岩石の収集を目標としており、今回の論文の議論にも影響を与えるかもしれません。

私たちの最も身近な天体である月でさえ、その進化過程はまだまだ多くの謎が残されています。"月を鏡として地球を見る"。これこそがまさに月科学の最前線なのです。

それでは今回もご視聴いただき、ありがとうございました。次回もお楽しみに。

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月のクレーター年代学が示す太古の地球に降った小惑星シャワー【論文紹介】

2017年に初めて観測された恒星間天体。恒星間天体が太陽系に飛来する確率はどのぐらいあるのでしょうか？
最新の研究から驚くべき事実がわかりました！

(参考文献)
Capture of interstellar objects: a source of long-period comets.
T.O. Hands & W. Dehnen (2019) Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, slz186.
https://doi.org/10.1093/mnrasl/slz186

【音楽素材】
https://www.bensound.com/

【字幕説明】
みなさんこんにちは。学校で教えてくれない今どきの惑星科学の話をします。

本日紹介するのは、2020年1月7日に、イギリスの王立天文学会月報に掲載された、恒星間天体に関する論文です。

恒星間天体とは太陽系の外から飛来した天体のことです。私たちの地球や、太陽系内の惑星は、小惑星や彗星も含め、みんな太陽の周りをまわる軌道を持っています。そのため軌道は必ず円軌道か楕円軌道になります。一部の彗星はとても細長い楕円軌道を持っていて、周期が200年以上になるものを「長周期彗星」と呼びます。現在確認されている最も長い周期をもつ彗星は、「ウェスト彗星」で、その周期は何と、少なくとも25万年以上と見積もられています。こういった彗星は、太陽系の最も外側の領域である、「オールトの雲」から来ると考えられています。

これに対して恒星間天体は、オールトの雲のさらに外から来る全く別の天体です。太陽系に一度だけ飛来した後は、外に飛んでいき、二度と戻ってくることはありません。こういった恒星間天体がまれに太陽系内に飛来するとは予想されていましたが、つい最近まで実際に確認されたことはありませんでした。

しかし2017年に、観測史上初めて、恒星間天体が発見されました。この恒星間天体は「オウムアムア」と名付けられ、世界的に大きなニュースとなりました。この時点では、恒星間天体がいったいどれぐらいの頻度で太陽系内に飛来するかわかっていませんでした。恒星間天体が飛来するということは、1億年に1回というような、もの凄くレアな現象なのか、あるいは数千年に1回程度起こる現象なのか、誰も全く見当がつかなかったのです。しかし、つい最近になって事態は大きく動きました。

2019年に史上2個めの恒星間天体「ボリソフ彗星」が観測されたのです。これによって、恒星間天体の飛来は、ものすごくレアな現象ではなく、ある程度の頻度で起こりうることが明らかになったのです。

このことは、長周期彗星に関する新しい疑問を投げかけたのです。人類がこれまで発見してきた長周期彗星の中には、実はもともと太陽系の外に起源をもつ恒星間天体であったものが、太陽系の内側に飛来してきたときに、太陽や惑星の重力に捕まって、長周期彗星となったものが含まれている可能性が出てきたのです。これまで太陽系で生まれた天体だと思っていたものが、実は外から来た天体であったというのです。それでは、具体的にどれぐらいの確率で恒星間天体は太陽系の重力に捕らえられて、彗星となるのでしょうか？

チューリッヒ大学とミュンヘン大学の研究者がこの問題に取り組みました。恒星間天体の飛来する確率を計算するには、天体同士の重力による相互作用を計算する必要があります。この問題は、ニュートンやラプラスの時代から考えられている、非常に古典的な問題です。２つの物体間に働く万有引力の計算方法は、皆さん高校の物理で教わったかと思います。しかし、物体が３つ以上になると簡単な式で解くことはできなくなり、さらに1000個や1万個のような多くの物体の引力を計算しようとすると、コンピューターで計算する必要が出てきます。惑星科学では、このような多体系の重力計算を、Ｎ体計算と呼びます。今回紹介する論文では、コンピューター上で仮想の恒星間天体をおよそ4億個作り、その軌道を計算しました。そして、太陽と惑星の重力によって捕らえられる確率を計算しました。この論文では計算を高速化するために、GPUを用いた計算プログラムを構築したそうです。

その結果、恒星間天体が4億個あった場合、長周期彗星として捕獲されるものが19万2千個、周期が200年以下の短周期彗星として捕獲されるものが965個あることがわかりました。これによって、1km以上サイズの彗星タイプの恒星間天体が捕獲される確率は100万年に12個、1km以上のサイズの小惑星タイプの恒星間天体が捕獲される確率は100万年に1200個、オウムアムアのような小さい岩石型の天体が捕獲される確率は、100万年でおよそ1万個、となることがわかりました。

また、恒星間天体が多く存在する領域がどこにあるかも計算されました。この図は太陽からの距離と、天体が存在する確率を示しています。青い線がこれまでに発見された長周期彗星の分布、そしてオレンジの線が今回計算された恒星間天体の分布です。この図から研究者たちは、恒星間天体を発見するためには、0.5天文単位の内側と、5.2天文単位の付近を観測したほうが良いと述べています。それぞれ、水星の軌道と、木星の軌道付近に対応します。

今回推定された恒星間天体の捕獲確率から、今現在太陽系に捕獲された恒星間天体の数を推測することができます。その結果、1km以上のサイズのボリソフ彗星のような天体についてはおよそ100個、オウムアムアのような小さな岩石型の天体だと10万個の恒星間天体が、太陽系内に存在するという予想が得られました。しかし実際には太陽系の彗星や小惑星は、他の惑星や太陽に衝突して破壊されたり、太陽系の外側に弾き飛ばされたりして、失われるものも多いのです。こういった力学的寿命が短い天体を除くと、恒星間天体の数は、彗星タイプで約20個、オウムアムア・タイプで20000個程度と計算されました。

このように私たちの太陽系内には、太陽系外から来た天体が多数存在している可能性があることがわかりました。そのうち、人類が観測可能な恒星間天体はいくつぐらいあるのでしょうか？多くの彗星は太陽から6天文単位以内、およそ木星の軌道より内側に来ると、太陽からの放射熱によって表面が蒸発し始め、明るく光ります。彗星が光はじめると望遠鏡で観測可能となります。そのため観測可能な範囲に存在する恒星間天体の確率を求めると、およそ0.033%となることがわかりました。これに先ほど求めた、太陽系に存在する全ての恒星間天体の数をかけてみましょう。すると、観測可能な彗星タイプの恒星間天体は0.0066個、オウムアムア・タイプの恒星間天体は6.6個となります。この数字を見て、みなさんいかがお考えでしょうか？ボリソフ彗星のような恒星間天体はものすごくレアな天体で、一方でオウムムアのような恒星間天体はある程度の頻度で観測されることが期待できるということです。

そして本研究で得られた結論から、さらに重要なことが示されています。それは、私たちがこれまで太陽系内の物質だと思っていた、彗星の中には、もともとは太陽系の外から来たものが、それなりの確率で混じっている可能性があるということです。その中には、もしかしたら地球に衝突した恒星間天体もあるかもしれません。恒星間天体は惑星の進化や地球の歴史においてどのような役割を果たしてきたのでしょうか？恒星間天体の研究はまだここ数年で始まったばかりです。今後も引き続き最新の話題を紹介していきたいと思います。それではご視聴ありがとうございました。よかったらチャンネル登録お願いします！

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恒星間天体が太陽系に飛来する確率【論文紹介】

惑星科学で最も有名な隕石の一つである、アエンデ隕石からは太陽系最古の物質CAIと、太陽系以前の物質プレソーラー粒子が見つかっています。これまで両者は共存しないと言われてきましたが、今年の1月の発表された論文で、プレソーラー粒子の一部が原始太陽系円盤の高温環境を生き延びたことが明らかになりました。

(目次)
0:00 1969年の大事件
0:20 アエンデ隕石
0:51 難揮発性含有物CAI
1:22 プレソーラー・グレイン
2:04 共存しないはずの組み合わせ
2:58 原始太陽系円盤の環境

(参考文献)
Pravdivtseva, O., Tissot, F.L.H., Dauphas, N. et al. Evidence of presolar SiC in the Allende Curious Marie calcium–aluminium-rich inclusion. Nat Astron 4, 617–624 (2020). 
https://doi.org/10.1038/s41550-019-1000-z

Heck, P.R. et al. Lifetimes of interstellar dust from cosmic ray exposure ages of presolar silicon carbide. PNAS January 28, 2020 117 (4) 1884-1889.
https://doi.org/10.1073/pnas.1904573117

【画像素材】
NASA/GSFC, ESO, University of Copenhagen

【字幕全文】
1969年、アポロ11号の宇宙飛行士たちが、
初めて月面に降り立ったこの年、
惑星科学の歴史に刻まれる、もう一つの重大な事件が起こりました。
メキシコの小さな村 アエンデ に落下した隕石が、
原始太陽系に関する理解を大きく前進させることになったのです。

アエンデと名付けられたこの隕石は、
惑星科学において最も有名な隕石の一つとなりました。
その理由は、
１、総重量にして２トン以上と大量に回収されたことによって、
多くのサンプルを確保できたこと。
２、始原的な物質を多く含む、貴重な炭素質コンドライトであったこと、
３、落下した時期にちょうど米国の研究者らは、
アポロ試料を分析する準備を進めていた矢先であり、
当時の最新鋭の装置で重点的に分析できたこと、
の３つが挙げられます。

アエンデ隕石から見つかった物質のうち、注目すべきものは、
カルシウムとアルミニウムに富む、難揮発性含有物です。
この物質はCAIと呼ばれており、原始太陽系が高温のガスの状態だった時に、
一番最初にガスから凝縮した、太陽系最古の物質だとみられています。
CAIの形成年代は今から45.6億年前であることがわかっており、
よく太陽系の年齢が45億年や46億年と巷で言われているのは、
このCAIの形成年代に基づいています。

アエンデ隕石からは、もう一つ注目すべき物質が見つかっています。
それがプレソーラー粒子と呼ばれる、
太陽系が誕生する前の時代に形成された物質です。
プレソーラー粒子は、シリコン・カーバイドやダイヤモンド、
グラフェンといった微小な固体粒子の形で存在しています。

今年の1月に米国科学アカデミー紀要に掲載された論文で、
これまで測定された中で史上最古のプレソーラー粒子が報告されました。
アエンデ隕石と同じ年にオーストラリアに落下した、
マーチソン隕石の中から発見されたプレソーラー粒子の中に、
最も古いもので、太陽系誕生からおよそ30億年以上前、
つまり今から76億年近く前に形成されたものが含まれていたのです。

そしてこの論文とほぼ同時期に、
ネイチャー・アストロノミーで出版された論文で、
アエンデ隕石から非常に興味深い発見が報告されました。

これまで、CAIとプレソーラー粒子が共存した状態、
つまり同じ場所から同時に発見されることはありませんでした。
一般的にCAIは1500ケルビン以上に達するような、
原始太陽に近い環境で生成されたと考えられています。
そのためCAIができるような非常に高温の環境では、
プレソーラー粒子は熱で破壊されてしまい、
生き残ることができないと考えられてきました。

しかしネイチャー・アストロノミーの論文は、
この常識を覆す衝撃的な結果を報告してきました。
アエンデ隕石の”キュリアス・マリー”と名付けられた破片にある、
CAIの中から、プレソーラー粒子が初めて見つかったのです。
つまり、CAIが形成するような高温の環境を、
一部のプレソーラー粒子が生き延びていたことが判明したのです。
ではこの粒子が生成された時の原始太陽系の環境は、
どのようなものだったのでしょうか。
プレソーラー粒子が生き延びる条件は、
粒子のサイズに強く依存するため、一概に言うことはできませんが、
論文中では別の研究を引用する形で、
900℃以上の高温環境を、数千年程度生き延びたのでは、と推測しています。

私たちは星のかけらでできている、とよく言われますが、
アエンデ隕石のCAIとプレソーラー粒子は、
私たちの太陽系の中に、前の世代の星のかけらが、
いまだに残されていることを示す、
またとない例を示してくれたと言えます。

それでは今回もご視聴ありがとうございました。
面白かったという方は、ぜひチャンネル登録して頂けると嬉しいです。
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内容についてご意見がある方は、コメント頂けると幸いです。
よろしくお願いします。

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