月の「カラーパレット」の秘密は解明されたのか？その答えは長安5号が持ち帰った月の土にあります！

制作：中国科学普及協会

著者: Keke (ポピュラーサイエンスクリエイター)

プロデューサー: 中国科学博覧会

夜空に浮かぶ月を見上げると、その銀白色の光は永遠のように思えます。しかし、科学者の目には、月の表面はゆっくりと継続的に変化し続けているように見えます。この変化は月の外観に影響を与えるだけでなく、豊富な科学的情報も含んでいます。

最近、中国の科学者たちは嫦娥5号が持ち帰った月の土壌サンプルについて徹底的な研究を行い、この不思議な変化の背後にある謎を明らかにした。中国科学院物理研究所の王維華院士チーム、中国宇宙科学院の楊孟飛院士チーム、南京大学の鄒志剛院士チームによって共同で行われたこの研究は、月面の進化についての理解を深めただけでなく、他の天体の将来の探査に重要なインスピレーションも提供した。

月の「色」が変化する謎を解き明かしましょう。

月のガラス：宇宙で風化したタイムカプセル

嫦娥5号が持ち帰った月の土壌サンプルの中に、科学者たちは特別な物質、月のガラスビーズを発見した。これらの小さなガラスビーズは人工的に作られたものではなく、自然に形成されたものです。これらは、宇宙風化のプロセスを記録し、豊富な情報を含むタイムカプセルのようなものです。

（微小）隕石の衝突と太陽風の放射による月面の風化

（画像出典：参考1）

これらのガラスビーズの形成プロセスは非常にユニークです。高速の隕石や微小隕石が月の表面に衝突すると、その巨大なエネルギーによって衝突地点付近の岩石が瞬時に溶けてしまいます。これらの溶融岩石物質は衝突の衝撃波によって空中に投げ出され、飛行中に急速に冷却され、さまざまな形状のガラス粒子を形成しました。そのうち、一部の溶融液滴は飛行中に高速回転し、最終的に球形または楕円形のガラスビーズに固まります。

研究チームはこれらのガラスビーズの中に多数のナノスケールの金属鉄粒子を発見した。これらの小さな鉄粒子は、月の表面の光学特性の変化を引き起こす主な要因です。ナノ鉄粒子の存在により、さまざまな波長の光に対する月の表面の反射特性が変化し、それによって私たちが観測する月の「色」に影響が及ぶことになります。

科学者たちは、これらのナノ鉄粒子がガラスビーズ内に均一に分散されていないことを発見した。それらの大きさ、分布、形成メカニズムには大きな違いがあり、月の表面の進化を理解するための重要な手がかりとなります。

研究者らは、高度なその場電子顕微鏡技術を使用して、ナノ鉄粒子の形成プロセスの動的観察を実現しました。この技術により、科学者はナノ粒子がガラスビーズ内でどのように成長し移動するかを「見る」ことができ、その形成メカニズムを理解するための直接的な実験的証拠が得られます。

ガラスビーズには、大きいものと小さいものの 2 つの異なるサイズのナノ鉄粒子が含まれています。そのうち、より大きなナノ鉄粒子（大きさは数十ナノメートル程度）は主にガラスビーズの両端に分布しています。これらの大きな粒子の形成は隕石の衝突と密接に関係しています。

高速の隕石が月の表面に衝突すると、高温高圧の状態によって鉄を含む鉱物が溶け、元素鉄に変化しました。このプロセスには 2 つのメカニズムが関与している可能性があります。1 つは衝撃によって引き起こされる不均衡反応で、極端な条件下で鉄含有酸化物が元素鉄と酸素に分解されます。もう 1 つは熱分解プロセスです。つまり、鉄を含む硫化物が高温で分解して元素鉄を生成します。

新たに生成された元素鉄は、溶融ガラスビーズ内で急速に核形成して成長し、より大きなナノ鉄粒子を形成します。興味深いことに、科学者たちはガラスビーズ内でこれらの鉄粒子の特異な分布も観察しました。ガラスビーズが回転すると、遠心力によってこれらの鉄粒子が両端に移動し、最終的にガラスビーズが固まると両端で「凍結」します。

さらに驚くべきことは、この回転によって生じる収束によって、数百ナノメートル、あるいは数ミクロンの大きさの超大型金属鉄粒子が生成されることがあることです。この発見は月の表面の微細構造に関する新たな知見をもたらす。

さらに研究チームは、一般的な丸いガラスビーズのほかに、両端に大きなナノ鉄の突起がある楕円形やダンベル形のガラスビーズもいくつかあることを発見した。この特殊な形状のガラスビーズは、ナノ鉄の形成と分布を研究するための優れた「実験室」を提供します。

月食の時は月が赤く見える

(画像出典: Wikipedia)

太陽風の照射：鉄の小さなナノ粒子の発生源

科学者たちはまた、ガラスビーズの表面に、より小さなナノ鉄粒子（大きさはわずか数ナノメートル）が多数存在することを発見した。これらの小さな粒子は主に月の土壌粒子の表面の数百ナノメートル以内の領域に分布しており、これは太陽風イオンの有効注入深度と正確に一致しています。

太陽風は太陽の表面から放出される荷電粒子の連続的な流れであり、主に陽子と電子で構成されています。これらの高エネルギー粒子は月の表面を継続的に衝突し、表面の物質に物理的および化学的変化を引き起こします。研究では、太陽風イオン注入の深度範囲内で、放射線損傷によって生じた細孔または小胞欠陥と、小さなサイズのナノ鉄粒子の沈殿との間に明らかな共起関係があることが判明しました。この現象は、小さなサイズのナノ粒子と太陽風の照射との因果関係を明らかにしています。

**この発見は科学界のこれまでの理解を覆した。 **従来の見解では、ナノ鉄は主に月の土壌粒子の表面にある非晶質堆積層で形成されると考えられています。しかし、この研究では、小さなサイズのナノ鉄が実際には堆積層の下の照射損傷層内に分布していることが示されました。これは、太陽風が月の表面のスペクトル変化に与える影響が、これまで考えられていたよりもはるかに重要かつ深刻であることを意味します。

さらに興味深いことに、科学者たちは、月の土壌粒子のサイズが太陽風イオンの浸透深度よりも小さい場合、粒子の内部全体が高密度のナノ鉄粒子で満たされていることを発見しました。この観察は、小粒子ナノ鉄の形成における太陽風放射の重要な役割をさらに裏付けています。

月のガラスビーズとナノ金属鉄の形成と進化

（画像出典：参考1）

月の色が変わる新たな説明

この研究は、ナノ鉄は主に単一のメカニズムによって形成されるという従来の見解を打ち破るものです。科学者たちは、異なるサイズのナノ鉄粒子は異なる形成メカニズムを持つことを確認しました。大きな粒子は主に隕石の衝突によって生成され、小さな粒子は主に太陽風の放射によって生成されます。

この発見は、月の表面の色の変化を理解するための新たな視点を提供します。月の表面の光学特性の変化は、実際にはこれら 2 つのメカニズムの複合的な作用の結果です。大きなナノ鉄粒子は主に月面の全体的な反射率に影響を与えますが、小さなナノ鉄粒子はスペクトルの詳細な特性に大きな影響を与えます。

これら 2 つのメカニズムの相対的な寄与を理解することで、科学者は月のさまざまな領域の光学特性がどのように変化するかをより正確に予測できるようになりました。たとえば、月の磁気異常では太陽風の影響が弱い可能性があるため、これらの領域の色の変化は主に隕石の衝突の影響を受けている可能性があります。逆に、太陽風放射がより強い月の赤道地域では、微粒子ナノ鉄の形成がより顕著になる可能性がある。

さらに、この研究は月の影の領域の進化を理解するための新たなアイデアも提供します。永久に影になっている地域では、太陽風放射が不足しているため、色の変化は主に隕石の衝突によるものと考えられます。これは月の極地における水氷資源の探査にとって大きな意義を持ちます。

満月の直後の月

(画像出典: Wikipedia)

結論

この研究は、月面の色の変化のメカニズムを明らかにするだけでなく、宇宙環境と天体表面の相互作用についての理解を深めるものです。科学者たちは、さまざまなサイズのナノ鉄の形成メカニズムを分析することで、実際に微視的規模の宇宙風化モデルを構築しました。

このモデルは月だけでなく、小惑星や水星など大気のない他の天体にも拡張できます。さまざまな天体の表面にあるナノ鉄の特徴を比較することで、それらの天体が経験した宇宙環境の歴史を推測し、太陽系の進化をより深く理解することができます。

この研究成果は、将来の月や小惑星の探査ミッションにとって重要な参考資料となるとともに、宇宙風化研究の新たな方向性を切り開くものとなる。

嫦娥5号が持ち帰った月の土壌サンプルは、月の秘密への扉を開くようなものだ。中国の科学者たちは、月のガラス玉の詳細な研究を通じて、月の「色」の変化の謎を解明しただけでなく、宇宙環境が天体の表面に及ぼす深遠な影響も明らかにした。月面探査が進み、分析技術が進歩するにつれ、月や太陽系全体に関するさらなる驚くべき発見が期待されます。

参考文献:

1. Laiquan Shen、Rui Zhao、Chao Chang、Jihao Yu、Dongdong Xiao、Haiyang Bai、Zhigang Zou、Mengfei Yang、Weihua Wang、嫦娥 5 号サンプルで観察された月の金属鉄形成に対する放射線照射の個別の影響と影響