かつては地球の「双子星」だったが、全く異なる運命をたどった

金星は太陽系の地球型惑星です。太陽からの平均距離は約0.72AU（1億800万キロメートル）で、公転周期は224.71日です。金星は東から西に自転しており、8つの惑星の中で最も長い自転周期（243日）を持っています。太陽系の8つの惑星のうち、金星は地球の「双子惑星」と呼ばれています。金星は地球と大きさや密度が似ていることから、金星の初期の物質構成も地球と似ているのではないかと推測されています。しかし、入手可能な唯一の検出データに基づいて、現時点で結論を導き出すことはできません。

金星と地球の大きさの比較

さて、金星の表面環境は地球とは全く異なり、大気圧は地球表面の 92 倍です。地表温度は約 465°C で、地球全体で比較的均一です。金星の表面では車も溶けてしまうため、生命が存在するには適さない場所となる。金星には、主に二酸化炭素（96.5%）と窒素（3.5%）で構成される厚い大気があります。高度約50キロメートルの雲の中には、さまざまな腐食性の酸性ガスが存在します。

しかし、36億年前には、金星も太陽系の生命居住可能領域内にありました。当時の金星には海と生命が存在したのでしょうか？金星が地球とは全く異なる進化の道を歩み、現在のような煉獄となった理由は何でしょうか？金星は地球の過去か未来か？これらの疑問は金星探査における最も重要な科学的問題です。

金星の表面は濃い大気に囲まれているため、軌道から実際の表面を見るのは困難です。

パート1

金星の探査

人類による地球外惑星の探査は金星から始まりました。 1961年にソ連が初めて金星探査を行って以来、2021年末までに世界各国は合計43機の金星探査機を打ち上げており、内訳はソ連33機（成功15機）、米国8機（成功6機）、欧州連合1機（成功）、日本1機（成功）となっている。ミッションの種類は、金星フライバイ、周回軌道、大気圏突入探査ミッション（33回）が中心で、着陸ミッション（8回）や浮遊ミッション（2回）は比較的小規模である。これらのミッションは、1960年代から1970年代にかけての米ソ宇宙開発競争に集中していた。 21世紀以降、実施されたミッションは、欧州宇宙機関（ESA）の金星探査機「ビーナス・エクスプレス」（2006～2014年）と日本の探査機「あかつき」（2015年に軌道投入に成功）の2つだけだ。 「あかつき」は現在軌道上にある唯一の金星探査機です。

金星を探査する方法は主に2つあります。地上観測と金星探査機です。地上観測は探査機のミッションを補完する重要なものであり、大気の組成、大気の力学、金星の地質を観測することができる。金星探査機は、軌道探査、空中現地探査、地上探査の3種類のミッションに分けられます。軌道探査は比較的最も成熟した技術であり、既存の金星探査ミッションの大部分は軌道探査機によって占められています。空中現場検出は、空中プラットフォーム（浮遊気球など）と下降プローブ/ゾンデを使用して実行されます。金星の地上探査と表面着陸により、金星表面の物質の組成、大気と表面の相互作用、地震などの情報を得ることができます。しかし、金星表面の過酷な環境が探査機の生存時間に対する主な制限となっている。地上探査機は、生存時間に基づいて、短寿命ワークステーション（24 時間）、移動式金星探査車（24 時間超）、およびその他のタイプに分類されます。

金星探査機「あかつき」

金星探査機の利点は、金星の大気や宇宙環境を長期間かつ大規模に観測できることです。 21 世紀以降、ESA の金星探査機「ビーナス・エクスプレス」と日本の探査機「あかつき」の成功により、人々は金星の貴重なリモートセンシングデータを大量に取得し、金星の大気と気候についてより深い理解を得ることができました。

ビーナス・エクスプレスの検出は主に雲層と中層・上層大気に集中しています。この探査機はパイオニア・ビーナス・オービターとは異なる軌道設計を採用し、金星の誘導磁気圏のさまざまな領域に進入して、多くの新たな観測と発見を行った。ビーナス・エクスプレスの成果の主なものとしては、金星の全球大気循環モデルの構築などが挙げられます。金星の全球表面温度マップ、金星大気の熱プロファイルと熱構造、大気の化学組成プロファイル（CO、SO2、OCS、D/H比など）を描き、新しい大気成分（O3とOH）を発見する。金星の低緯度地域における平均風速の継続的な増加を発見。上層大気中の低温層の存在。地形によって生じる大気の重力波の特性や深い雲の特性などを研究した。また、ビーナス・エクスプレスは活火山の疑いのある「ホットスポット」もいくつか発見した。しかし全体的に見ると、ビーナス・エクスプレスによる表面の検出は範囲と精度の点で限界がある。

金星探査機「ビーナス・エクスプレス」

日本の「あかつき」の探査目標は金星の大気と宇宙環境に焦点を当て、雲頂から深層雲まで詳細な探査を行った。 「あかつき」探査機は深さ35～50kmの雲の形態を特徴づけた。金星の大気中に大規模な弓状の特徴を発見した。赤道上空の中層および下層の雲層に水平ジェット気流を発見した。電波掩蔽実験により高度40km以上の大気温度分布を取得しました。上層雲と中層雲の間の遷移帯付近に小さな粒子を含む厚い雲を発見した。雲頂熱潮汐の観測とシミュレーションを通じて、熱潮汐が大気のスーパーローテーションを維持するメカニズムを発見しました。

金星の大気の垂直構造の模式図

パート2

金星の大気圏

金星の表面は厚い大気に覆われていますが、特定の波長の電磁波は大気を透過して金星の表面を観測することができます。

惑星の雲層を透過できる電磁波帯の模式図

現在までに、最も包括的かつ正確な金星の地形図は、米国のマゼラン探査機のレーダー探査から得られたものです。

金星の表面の特徴

金星の表面は比較的平坦で、その地形は低地、平野、高地の 3 つの地質学的単位に分けられます。金星の表面の約 80% は滑らかな火山平原で覆われており、そのうち 70% にはしわのある尾根があり、10% は滑らかであるか亀裂があります。金星の表面の残りの 20% は 2 つの高地で占められており、1 つは北半球 (イシュタル テラ)、もう 1 つは赤道の南側 (アフロディーテ テラ) にあります。金星で最も高い山であるマクスウェル山脈（最高峰は金星の平均半径より 11 km 以上高い）は、イシュタル・テラ山脈内に位置しています。

金星の表面の典型的な形態学的特徴としては、放射状の岩壁、盾状火山、溶岩流、蜘蛛の巣構造などがあります。

金星の表面には衝突クレーターが約940個しか残っていません。興味深いことに、金星には直径 30 km 未満の衝突クレーターはほとんどなく、直径 5 km 未満のクレーターはほとんどありません。同時に、金星の表面には大きな衝突クレーターが存在しない。現存する衝突クレーターに基づいて、金星は約7億5000万年前に地球規模の表面再形成イベントを経験したと推測できます。このプロセス全体には約1億年かかりました。地形変化によって以前の地質学的記録は消去されました。この地球規模の再編が壊滅的なものになるのか、それともゆっくりとした均衡化をもたらすものになるのかはまだ明らかではない。

さらに、金星の表面には多様な地殻構造が存在します。活発な火山活動は、多段階にわたる地殻変動を引き起こし、最終的には火山に関連する地球規模の地殻変動ネットワークを形成します。これらの中で最も特別なのは、テッセラと呼ばれる地質学的単位です。これらは平野に囲まれた数十キロメートルの孤立したブロックであり、モザイクの床のような形をしています。モザイク内では、異なる方向の平行な尾根、断層、地溝が交差しており、少量の火山活動が伴います。このモザイクは、現在金星の表面に保存されていると考えられる最古の地層であり、水の作用に関連している可能性がある。将来、モザイク区画は金星探査の重要なターゲットとなるでしょう。

地溝帯は地球の中央海嶺に似ています。シワ状尾根は主に低地に分布しています。モザイク状のブロックは変形の激しい地域に広がっており、地球の大陸地殻と組成が似ている可能性がある。

リモートセンシングによる検出と比較すると、着陸検出はより困難であり、データはより少なく貴重です。金星での最長生存時間の現在の記録は、ソ連のベネラ探査機シリーズが保持しており、最長記録は127分である。

ソ連の「ヴェナ」着陸船が金星の表面に着陸する様子を描いた想像図（雷と硫酸の雨）

すべての着陸船は金星の火山平原地域に着陸した。送られてきた写真からは、金星の表面には液体の水も植物もなく、露出した岩が点在しているだけであることが分かる。着陸船は表面物質の組成を測定した。これらの組成測定値は量が非常に限られており、誤差が大きいだけでなく、特定の主要元素（ナトリウムなど）に関するデータも欠落しています。しかし、特に金星隕石や持ち帰られたサンプルがない場合、これらの測定値は依然として金星物質の組成の主な根拠となります。

ソ連のベネラ9号と13号が撮影した金星着陸地点の画像

パート3

そこに「生命」はあるのでしょうか？

金星は地球と潜在的に類似しているため、金星の表面や大気圏に生命が存在するかどうかは、長い間、国際的な学術界の関心事となってきました。関連する仮説が 2 つあります。一つの仮説は、初期の金星は温暖な気候で表面に液体の海があったが、温室効果が制御不能になり、すべての水が大気中に蒸発して逃げてしまったというものである。この仮説を裏付ける証拠はありません。あるモデルによれば、金星には液体の海は存在しなかった可能性があると示唆されている。一つの仮説は、現在の金星の雲層に生命居住可能領域があり、そこには適切な温度と圧力条件（約60℃、1気圧）があり、ミクロンサイズのエアロゾルが宇宙線や紫外線を遮蔽する効果があり、生命の存在を保護できるというものです。

金星表面に居住可能な環境があるという仮説

（左）温室効果が制御不能になる前、金星は居住可能な惑星であったかもしれないという仮説の模式図。

(右) 金星の雲のもや層に生息する好熱性・超好酸性微生物の仮説的サイクルの模式図。

2020年9月、研究チームがネイチャー・アストロノミー誌に論文を発表し、地上の電波望遠鏡を使って金星の雲層の一定高度でホスフィン（PH3）を検出したと発表した。これは生命の存在の間接的な証拠となる可能性があり、大きな反響と論争を巻き起こした。焦点は観測データの曖昧さにあり、信号がホスフィンから来ているとしても、他の非生物学的発生源を排除することはできない。しかし、いずれにせよ、これらの新たな探査と論争は、金星が国際的な惑星および宇宙生命の探査と研究の新たなホットスポットとなり、国際的な科学技術競争の重要な分野となったことを示しています。

金星探査は長年にわたり行われていますが、まだ重要なデータを蓄積している段階であり、埋めるべき観測ギャップが数多く残っています。例えば、金星の大気の質量の 99% は対流圏、特に高度 28 km 未満に集中していますが、現在のところ、表面から高度 12 km までの金星の深層大気を直接検出するデータは不足しています。レーダーによる金星の地形の検出は、マゼラン計画以来停滞している。既存の金星レーダーの検出解像度は数百メートル程度であり、その精度は1970年代の火星探査ミッションと同等程度に過ぎない。金星の地形をより詳細に識別および分類することは不可能であり、特に地質学的プロセスの規模で金星の表面を分析および研究することは不可能であり、金星表面の重要な領域と金星の地質学的進化の理解が著しく制限されます。金星大気のその場検出（特に大気元素の同位体測定）や詳細なリモートセンシング、さらにはモザイク区画のその場検出は、将来の金星探査ミッションに対する明確かつ緊急の要件を提示しています。

マゼランと比較した将来の金星探査によるレーダー検出の達成可能な空間解像度

パート4

金星へ行こう

2021年6月、NASAとESAはそれぞれ金星への新たなミッションであるVERITASミッション、DAVINCI+ミッション、EnVisonミッションを承認しました。さらに、ロシアとインドも独自の金星探査ミッションを提案し、積極的に推進している。国際的な金星探査と研究は新たな盛り上がりを迎えようとしており、地球の双子惑星の謎は徐々に明らかになるでしょう。

「Truth」ミッションと「Da Vinci+」は、2030年頃に打ち上げられる予定の、非常に補完的な2つのミッションです。「Venus」の正式名称は、「金星放射率、電波科学、干渉合成開口レーダー、地形および分光法」ミッションです。主な科学的目標は、高解像度の金星の地球規模の地形図と画像を生成し、変形、表面構成、熱放射、重力場マップを含む一連の金星の地球規模の地図帳を作成することです。金星に古代の水環境があったかどうか、また現在の火山活動がマントルプルーム領域に限定されているか、それともより広範囲に分布しているかを検出しようとしています。 「ダ・ヴィンチ+」ミッションの正式名称は「金星深部大気の希ガス、化学および画像化」ミッションです。降下探査機を通じて、63分間の降下中に金星の大気の組成を直接測定し、希ガス、微量ガスおよびその同位体組成を測定し、金星の大気の温度、圧力、風速を測定する。探査機は表面に到達する前に、金星の陸地のモザイクを撮影し、その起源や地殻変動、火山活動、風化の歴史を探る予定だ。

EnVison は 2032 年に打ち上げが予定されており、金星表面の軌道ベースの高解像度レーダーマッピングと大気調査ミッションです。科学的目標は、活発な地質学的プロセスを探し、活発な火山活動に関連する表面温度の変化を測定し、地域的および局所的な地質学的特徴を特徴付け、地殻支持メカニズムを決定し、マントルとコアの特性を制限し、センチメートル規模の表面変化を検出し、火山活動と地殻構造活動を特徴付け、風化と表面変質の速度を推定できる金星表面の軌道ベースの高解像度レーダーマッピングと大気研究ミッションを実施することです。地下レーダー探査機は、地表から約100メートルの深さまでの地域の断層、地層、風化を地図化し、構造関係と地質学の歴史を特定します。

ロシアのベネラDミッション構想は準備段階にあり、金星への再訪を決意するロシアの決意を示している。金星Dミッションのコンセプトは数回にわたって改訂されており、現在の基本ミッションは、周回衛星と短寿命（2～3時間）のベガ型着陸機で構成されています。ベースラインミッションに加えて、気球、サブ衛星、長寿命（24時間）地上局など、さまざまな潜在的な要素が実証されています。また、2029年から2034年の間に3回に分けて金星からサンプルを持ち帰ることも提案した。

さらに、他の惑星間探査ミッションも、金星重力アシストフェーズ中に金星の探査を行うことができます。これらのミッションには、NASA のパーカー太陽探査機、ESA の太陽探査機、木星氷衛星探査機 (JUICE) が含まれます。

質疑応答セッション/

1. 報告書では、金星着陸船は最大で約 2 時間しか持続できないと述べられています。金星の表面の温度と圧力はそれほど極端な値ではないようです。では、着陸船の生存時間が短い主な理由は温度と圧力なのでしょうか?他に何か理由があるのでしょうか？

答え: 主に金星の表面温度と圧力によるものです。金星の表面の環境は圧力鍋に少し似ています。電子機器や科学機器が作動しているときは、過熱しないようにまず冷却する必要がありますが、金星の環境ではこれが非常に困難です。火星を探査する際、長時間稼働する機器の中には、通常、夜間に稼働することを選択するものもあり、追加の冷却方法は必要ありません。対照的に、金星の継続的な高温により、電子機器や回路の設計に対する要求は高くなります。

2. 金星は地球とほぼ同じ大きさですが、なぜ地球には月があるのに金星には月がないのでしょうか?

A: いい質問ですね。でもまだ分かりません。月の正確な起源はまだ不明ですが、最も有力な説は巨大衝突起源です。原始地球の形成初期に、火星ほどの大きさの天体が月を衝突し、その後再進化して現在の地球と月を形成したと考えられています。金星はそのようなプロセスを経ていない可能性があり、それが金星の進化にも大きな影響を与えている可能性があります。地球と比較すると、金星は負の例、つまり、大きな天然衛星の欠如が別の進化の道につながるかどうかという例である可能性があります。

3. 金星の表面がこんなに熱くなったのはいつですか?なぜ金星には初めから海がなかったのでしょうか?

回答: この質問に対する答えも私たちもわかっておらず、現時点ではすべて推測にすぎません。私たちは、金星が最初に形成されたとき（最初の 1 億年）はおそらく地球と非常によく似ていたと推測しています。しかし、実際にそうであるかどうかは明らかではありません。現在の金星の表面には海の痕跡は見当たりません。しかし、約7億年前に地球全体がマグマに覆われ、初期の海の痕跡が一部消失した可能性もある。これは、将来の金星探査ミッションが解決することを目指す問題でもあります。

4. 我が国は金星探査の計画を準備していますか?

回答: 現在、将来の探査計画に役立てるための予備調査を行っています。中国が金星探査を望むなら、何を探査すべきか、どのような準備をすべきかを決めるべきだ。主に科学的なアイデア。しかし、金星探査ミッションはまだ具体的には存在しません。

5. 着陸船や浮体式プラットフォームなど、好みはありますか?

回答: 現在の技術では、着陸および浮遊プラットフォームはより困難になります。着陸船とそれが搭載する科学機器を稼働させ続けるには、着陸船と科学搭載物の設計に非常に高い要求が課せられます。航空プラットフォームの場合、エアロスタットや航空機自体にも多くの要件があります。したがって、今後10年間で中国が金星探査を望む場合、依然として探査機を主な手段として検討するかもしれないが、他の国が行っていない、または達成していない探査を実施するために、いくつかの独自の検出機器を搭載することを検討することもできる。

講演者について

趙宇雲博士は、中国科学院地球化学研究所月惑星科学センターおよび中国科学院比較惑星学卓越センターの准研究員です。彼は中国初の火星探査ミッションの先進科学研究チームのメンバーでもある。彼は長年にわたり惑星の地質環境の進化に関する研究に従事してきました。近年、当社は金星探査に注目し、金星探査の科学的課題の予備研究や実証に参加してきました。

出典：中国国家天文局