赤い惑星の居住可能性の評価：火星大気中の同位体の謎

「赤い惑星」としても知られる火星は、古代から科学者や宇宙愛好家の関心を集めてきました。火星は地球と似ており、その表面には過去、あるいは現在も生命が存在する可能性があると考えられているため、火星の謎を解明するためにロボットによる探査ミッションが数多く行われている。これらの重要なミッションの 1 つであるエクソマーズ微量ガス探査機は、最近、火星の大気の組成と表面の有機物の起源に関する重要な知見をもたらしました。

1. 複数のロボット探査により火星の謎が明らかに

現在、火星探査には、探査機、着陸機、探査車、航空機 1 機 (パーサヴィアランス探査車) を含む 11 のロボット ミッションが実施されています。これらのミッションは、以前のミッションと同様に、火星の大気、表面、地下を調査して、かつての暖かく湿った環境から現在のように寒く、ほこりっぽく、極度に乾燥した惑星への変化を含め、火星の過去と進化を理解することを目的としています。さらに、これらのミッションは、過去に火星に存在した可能性のある生命の兆候、さらには火星に生命が今も存在するかどうかの手がかりを探している。

2. 火星のガス組成に関する知見

特に興味深い疑問の一つは、火星の大気である。火星の大気は主に二酸化炭素（CO2）で構成されており、「重炭素」の同位体である炭素13（13C）が比較的豊富である。科学者たちは長年、この同位体比は地表の有機物（生物学的プロセスの兆候）に関係しているのではないかと推測してきました。しかし、英国のオープン大学が率いる国際チームは、欧州宇宙機関（ESA）の火星微量ガス探査機（TGO）のミッションから得られたデータを分析した結果、その有機物は「非生物起源」（つまり非生物的性質）である可能性が高いと判断した。この研究は、英国オープン大学の博士研究員であるフアン・アルデイ氏が主導し、同大学の大気研究・地表探査グループのメンバーが参加した。また、ロシア宇宙研究所（IKI）、フランスの理工科大学の大気・媒体・宇宙観測研究所（LATMOS）、英国オックスフォード大学の大気・海洋・惑星物理学グループ（AOPP）からも支援を受けた。彼らの研究結果は、「火星大気中の重CO同位体の光化学的減少」と題された論文で報告されており、この論文は最近、ネイチャー・アストロノミー誌に掲載された。

図 1. NASA の火星探査車「パーセベランス」が火星表面に着陸し、火星の最初の画像を送信しました。NASA の 5 番目の火星探査車として着陸に成功しました (画像提供: NASA)

3. 同位体地球化学を用いた火星大気の検出

火星の大気中のガスのうち、二酸化炭素が約 96% を占め、一酸化炭素はごく少量 (0.0557%) を占めています。これらのガス中の重炭素同位体（地球の大気中の炭素同位体のわずか 1.1% を占める）の相対的な豊富さは、数十億年にわたって「軽炭素」（12C）が宇宙に優先的に逃げてきたことに起因していると考えられています。これは、NASA の探査車キュリオシティによる最近の測定結果に一部基づいており、この測定では、地表の有機物 (メタンガス) 中の 13C が枯渇していることが明らかになりました。

科学者たちは、この同位体の濃縮を分析することで、上層大気と下層大気の間の「同位体比」の変化を説明する大気のプロセスについて、より深い理解を得られることを期待しています。大気中の一酸化炭素（CO）と有機分子は同じ13C減少同位体シグネチャを共有しているため、科学者は、生命の兆候となる可能性のある有機プロセスが働いていたかどうかの手がかりを見つけたいと考えている。研究を進めるために、アルデイ博士率いるチームは、TGO の大気化学スイート (ACS) によって取得された CO の垂直プロファイル データを調べました。

このスイートは、近赤外線 (NIR)、中赤外線 (MIR)、遠赤外線 (TIRVIM) チャネルをカバーする 3 つの赤外線エシェル分光計で構成されています。 2016年以来、これらの機器は火星の大気から分光データを収集しており、さまざまな化学元素の存在を示す吸収線を使用してその組成を判定しています。その後、研究チームはこれらのデータを、太陽放射との相互作用により大気中のCO分子から炭素と酸素が消費されることを予測する光化学モデルと組み合わせました。彼らの研究結果は、（これまでの考えとは反対に）火星の大気中の一酸化炭素（CO）には重炭素が少なく、軽炭素が豊富であることを示唆している。アルデイ博士は英国オープン大学のニュースリリースで次のように説明しています。「CO 中の 13C が少ない理由を理解する鍵は、CO2 と CO の化学関係にあります。太陽光によって CO2 分子が CO に分解されるとき、12CO2 分子は 13CO2 分子よりも効率的に破壊され、その結果、CO 中の 13C が長期間にわたって減少します。」

図2. 火星の大気の95%は二酸化炭素（CO2）で、酸素（O2）はわずか0.14%です（画像提供：NASA）

この発見は、火星表面の有機物が生物学的プロセスによって形成されたのか、非生物的プロセスによって形成されたのかという長年の論争を解決するのに役立つだろう。火星の大気中の一酸化炭素の量はごくわずかですが、火星の大気と気候が時間の経過とともにどのように変化してきたかを理解するために重要です。一方では、過去に流水域と静水域がどのような状況で存在していたかを明らかにすることができます。一方、これらの発見は残念なものかもしれないが、火星の過去の生命の探索をさらに進めるのに役立つだろう。アーデイ博士は、最終的な目標は、火星に生命に適した条件が存在したかどうか、そして生命が出現するまでその条件が長く続いたかどうかを決定することだと語り、「初期の火星の大気がどのようなものであったか、また、どのような条件であれば表面に液体の水が流れたかは不明です。火星の大気中の炭素同位体は、過去に大気中にどれだけの二酸化炭素が存在したかを推定するのに役立ちます。エクソマーズTGOによる新たな測定結果では、宇宙に逃げた二酸化炭素の量は以前の推定よりも少なかったことが示されており、初期の火星の大気の構成に関する新たな制約がもたらされています。」と語った。

この研究は、ACS 分光計と大気研究・表面探査グループの研究に資金を提供した英国宇宙庁の支援のおかげで可能になりました。 TGOは、欧州宇宙機関（ESA）とロシアの宇宙機関ロスコスモスの共同プロジェクトである、より大規模なエクソマーズ計画の一部である。このプログラムでは、今後数年のうちにロザリンド・フランクリン探査車を火星に送り、火星の過去（そしておそらく現在も）の生命の継続的な探索をさらに支援する予定です。 （終わり）

元の記事: Alday, J.、Trokhimovskiy, A.、Patel, MR、Fedorova, AA、Lefèvre, F.、Montmessin, F.、... Shakun, A. (2023)。火星大気中の重 CO 同位体の光化学的減少。ネイチャー天文学、7、867-876。リンク: https://www.nature.com/articles/s41550-023-01974-2

この記事は、以下の内容に基づいて翻訳および構成されています。

エクソマーズ微量ガス探査機は火星の大気を分析します。クレジット: ESA/ATG medialab、2023 年 5 月 17 日投稿者: MATT WILLIAMS。 https://www.universetoday.com/161402/life-probively-didnt-have-a-hand-in-creating-organic-deposits-on-the-surface-of-mars/ 。