キュリオシティは大きな発見をしました。火星の湖は寒さのためにかつては凍っていたこと、そして炭素循環も存在していることです。

[モバイルソフトウェア：BoKeYuan] 火星の化学元素を研究することで、科学者は歴史を遡り、かつて生命を維持するのに必要な条件を備えていた惑星である火星の歴史をつなぎ合わせることができます。約1億4000万マイル（2億2500万キロ）離れた地球から、この物語を一つ一つ作り上げていくのは、骨の折れる作業でした。しかし、科学者は簡単に諦めるようなタイプではない。火星の周回衛星や探査機は、乾いた川床、古代の海岸線、塩分を含んだ表面の化学反応などの手がかりから、火星にはかつて液体の水があったことを確認している。

科学者たちはNASAの探査車キュリオシティを使って、火星に昔から湖が存在していた証拠を発見した。生命の化学的構成要素である有機化合物も発掘されました。液体の水と有機化合物の組み合わせは、科学者が火星で過去または現在の生命の兆候を探し続けることを強いる。これまでに発見された興味深い証拠にもかかわらず、火星の歴史に関する科学者の理解は未だに発展途上であり、いくつかの大きな疑問が議論の余地を残している。まず、古代の火星の大気は、生命が発芽し育つのに十分な期間、火星を暖かく、したがって湿潤に保つのに十分な厚さがあったのだろうか？

有機化合物については、それは生命の兆候なのでしょうか、それとも火星の岩石が水や太陽光と反応して生じる化学反応の兆候なのでしょうか?ネイチャー・アストロノミー誌に掲載された新しい研究で、科学者たちはこれらの疑問に答えるのに役立ついくつかの洞察を提供している。この数年にわたる実験は、キュリオシティの腹部にある「火星サンプル分析（SAM）」と呼ばれる化学実験室で行われている。研究により、ゲイル・クレーターの岩石に含まれる鉱物の一部は氷床上の湖で形成された可能性があることが判明した。これらの鉱物は、温暖期に挟まれた寒冷期に形成されたか、火星が大気の大部分を失って永久に寒冷化し始めた後に形成された可能性がある。

火星の寒さと氷の状態

コネチカット州とロードアイランド州を合わせたくらいの大きさのゲールクレーターが、古代の有機分子を捕らえて保存するのに役立った可能性のある粘土鉱物など、過去に水があった痕跡があることから、探査車キュリオシティの着陸地点として選ばれた。実際、クレーターの中心にあるシャープ山の麓を探索中に、キュリオシティは古代の湖に泥として堆積した1,000フィート（304メートル）の堆積層を発見した。これほど大量の堆積物を形成するには、数百万年から数千万年にわたる暖かさと湿気により、信じられないほどの量の水がこれらの湖に流れ込んだと考えられます。

しかし、クレーター内のいくつかの地質学的特徴は、過去に寒くて氷の多い環境があったことを示唆している。 「ある時点で、火星の表面の状態は、現在のような暖かく湿った状態から、寒くて乾燥した状態へと変化したはずだが、その変化がいつ、どのように起こったのかは謎のままだ」と、メリーランド州グリーンベルトにあるNASAゴダード宇宙飛行センターの地球化学者ヘザー・フランツ氏は語った。火星のサンプル分析研究を率いたフランツ氏は、火星の傾きの変化や火山活動の程度などの要因により、火星の気候は時間の経過とともに温暖と寒冷を繰り返す可能性があると指摘した。

火星の岩石の化学的、鉱物学的変化はこの考えを裏付けており、一部の層はより寒冷な環境で形成され、他の層はより温暖な環境で形成されたことを示唆している。いずれにせよ、キュリオシティ探査車がこれまでに収集したさまざまなデータは、チームが岩石に記録された火星の気候変動の証拠を目撃していることを示唆している。研究チームは、火星のサンプル分析研究所がキュリオシティが地球の5年（地球年～火星年）にわたって収集した13個の塵と岩石のサンプルから二酸化炭素と酸素を抽出した後、火星の古代の寒冷な環境の証拠を発見した。

火星の気候物語における炭素と酸素

二酸化炭素は、2 つの酸素原子に結合した炭素原子からなる分子であり、炭素は謎に包まれた火星の気候の重要な証拠です。実際、この単純かつ多用途な要素は、他の場所での生命の探索において水と同じくらい重要です。地球上では、炭素は空気、水、地表を通じて継続的に流れており、その循環が生命に依存していることは誰もが知っています。たとえば、植物は二酸化炭素の形で大気中の炭素を吸収します。その代わりに酸素が生成され、その過程で人間や他のほとんどの生命体が呼吸に使用します。最終的に炭素は二酸化炭素として大気中に放出されるか、生命体が死んで地中に埋もれることで地殻に還元されます。

科学者たちは火星でも炭素循環が起きていることを発見し、それを理解しようと研究している。おそらく、火星には水はほとんど存在せず、かつては表面に生命が豊富に存在していた可能性があり、少なくとも過去 30 億年間の炭素循環は地球とは大きく異なっていたと考えられます。 「それでもなお、炭素循環は継続しており、火星の古代の気候に関する情報を明らかにするだけでなく、火星が元素を循環させるダイナミックな惑星であり、それらの元素が生命の構成要素であることを示しているため、依然として重要である」とNASAゴダード宇宙センターの部門長でSAMの主任研究員であるポール・マハフィー氏は述べた。

条件を提供する

キュリオシティは岩石と塵のサンプルをサンプル分析火星研究所に運び込んだ後、各サンプルを華氏約1,650度（摂氏約900度）まで加熱し、内部のガスを放出した。二酸化炭素と酸素が放出される温度を観察することで、科学者はガスがどの鉱物から来たのかを知ることができ、その情報は火星における炭素循環についての洞察をもたらす可能性がある。さまざまな研究から、主に二酸化炭素で構成されていた火星の太古の大気は地球よりも厚かった可能性があることが示唆されている。その大半は宇宙に失われてしまったが、一部は火星表面の岩石の中に、特に炭素と酸素からなる鉱物である炭酸塩の形で蓄えられている可能性がある。

地球上では、炭酸塩は空気中の二酸化炭素が海洋やその他の水域に吸収され、岩石に鉱物化されることによって生成されます。科学者たちは、同じプロセスが火星でも起こっていると考えており、それが火星の大気の一部に何が起こったのかを説明するのに役立つかもしれない。しかし、火星探査では、厚い大気を支えるのに十分な量の炭酸塩が火星表面にまだ発見されていない。それでも、火星のサンプル分析で検出された少数の炭酸塩は、そこに保存されている炭素と酸素の同位体（異なる質量を持つ元素の異なるバージョン）を通じて、火星の気候に関する興味深い情報を明らかにしました。

岩石の形成から生物活動まで、さまざまな化学プロセスでこれらの同位体がさまざまな割合で使用されるため、岩石中の重い同位体と軽い同位体の比率は、科学者に岩石がどのように形成されたかの手がかりを与えます。火星のサンプルの分析で発見された炭酸塩の中には、火星の大気中のものよりも軽い酸素同位体が含まれていることを科学者たちは発見した。これは、炭酸塩が昔、単に大気中の二酸化炭素が湖に吸収されたことによって形成されたのではないことを示唆している。もしそうなら、岩石中の酸素同位体は空気中の酸素同位体よりもわずかに重いことになる。炭酸塩が火星の歴史のごく初期に形成された可能性はあるが、大気の組成は現在とは若干異なっていた。

炭素はどこに行くのでしょうか?

しかし研究者たちは、炭酸塩は凍った湖で形成された可能性が高いと考えている。この場合、氷は重い酸素同位体を吸収し、最も軽い同位体を残して炭酸塩を形成する可能性があります。キュリオシティの他の科学者たちも、ゲールクレーターに氷で覆われた湖があるかもしれないという証拠を提示した。火星に炭酸塩が少ないのは不可解である。ゲールクレーターにこうした鉱物があまり存在しないのであれば、初期の火星の大気は予想よりも薄かったか、あるいは失われた大気中の炭素を何か別のものが蓄えていたのかもしれない。

分析によれば、炭素の一部は、炭酸塩とは異なる構造で炭素と酸素を蓄えるシュウ酸塩などの他の鉱物に隔離されている可能性がある。この仮説は、火星のサンプル分析で一部のサンプルが二酸化炭素を放出した温度（炭酸塩には低すぎるが、シュウ酸塩にはちょうどよい）と、科学者が炭酸塩で見るものとは異なる炭素と酸素の同位体比に基づいている。シュウ酸は地球上の植物によって生成される最も一般的なタイプの有機ミネラルですが、シュウ酸は生物が存在しない場合でも生成されることがあります。

炭酸分子モデル

一つの方法は、大気中の二酸化炭素と地表の鉱物、水、太陽光との相互作用によるもので、非生物的光合成と呼ばれるプロセスです。この化学反応は、生命が豊富に生息する地球上では見つけるのが難しいが、研究チームは、実験室で非生物的光合成を作り出し、それが本当にゲール・クレーターで見られる炭素化学反応の原因であるかどうかを調べたいと考えている。地球上では、非生物的光合成が、最も初期の微視的生命体の一部における光合成への道を開いた可能性があり、そのため、他の惑星での光合成の発見は宇宙生物学者にとって興味深いものとなるだろう。

たとえ非生物的光合成によって大気中の炭素の一部がゲール・クレーターの岩石に閉じ込められたことが判明したとしても、研究者たちは火星のさまざまな場所の土壌や塵を研究し、ゲール・クレーターの結果が火星の全体的な様子を反映しているかどうかを確認したいと考えている。おそらくいつの日か、そうするチャンスが訪れるだろう。NASAの火星探査車「パーサヴィアランス」は2020年7月から8月にかけて火星に向けて打ち上げられる予定で、火星のジェゼロクレーターでサンプルを採取し、地球上の研究室に持ち帰る計画だ。

ボー・ケ・ユアン研究/出典: NASA ゴダード宇宙飛行センター

この研究はネイチャー・アストロノミー誌に掲載された。

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