研究者チームは、初めて地震データを用いて火星の内部を調べました。
火星震を測定することで、研究チームは同惑星の地殻、マントル、核を測定することができました。
このデータは、火星、ひいては太陽系全体の形成と進化を解明する手がかりとなります。
ETHチューリッヒの研究者は国際研究チームと協力し、初めて地震データを用いて火星の内部を調べることに成功しました。研究チームは地殻、マントル、核を測定し、その組成を絞り込みました。得られた3本の論文は、誌『Science』の表紙特集として、まとめて掲載されます。
2019年初頭以来、研究者たちはインサイト・ミッションの一環として火星震の記録と分析を行ってきました。これには、データ取得および制御用の電子機器がETHチューリッヒで開発された地震計が用いられています。研究者たちは今回、このデータを用いて赤い惑星の地殻、マントル、核を測定しました。このデータは、火星ひいては太陽系全体の形成と進化を解明する手がかりとなるものです。
かつて火星は完全に溶融していた
地球は殻状の構造からなることが知られています。薄い軽量で固い岩石の地殻が、重く粘性のある岩石の厚いマントルに覆われ、さらにその内側には主に鉄とニッケルからなる核があります。火星を含む岩石惑星も、同様の構造を持つと考えられてきました。「今回、地震データにより、火星は現在見られる地殻、マントル、核に分化する前は、おそらく完全に溶融していたことが確認されました。ただし、その構造は地球とは異なります」と、ETHチューリッヒ地球物理学研究所およびチューリッヒ大学物理学研究所の科学者であるアミール・カーンは述べています。ETHチューリッヒの同僚であるシモン・シュテーラーとともに、彼はNASAのインサイト・ミッションのデータを分析しました。このミッションには、ETHチューリッヒがドメニコ・ジャルディーニ教授の指導の下で参加しています。
火星にはプレートテクトニクスが存在しない
研究者たちは、火星赤道付近の探査機着陸地点直下の火星の地殻の厚さが15〜47キロメートルであることを明らかにしました。これほど薄い地殻には、放射性元素が比較的高い割合で含まれている必要があり、地殻全体の化学組成に関するこれまでのモデルに疑問を投げかけるものです。
地殻の下にはマントルがあり、その上部には固い岩石からなるリソスフェアが広がっています。リソスフェアの厚さは地下400〜600キロメートルに達し、これは地球の約2倍の深さです。これは、火星には現在、地球の7つの大きな移動性プレートとは異なり、大陸プレートが1つしかないためと考えられます。「厚いリソスフェアは、火星を『一枚プレートの惑星』とするモデルとよく一致します」とカーンは結論づけています。
測定結果はまた、火星のマントルが鉱物学的に地球の上部マントルと類似していることも示しています。「その意味で、火星のマントルは地球のマントルのより単純な版と言えます。」しかし、地震学からは化学組成の違いも明らかになっています。例えば、火星のマントルには地球よりも多くの鉄が含まれています。ただし、火星のマントルの層構造の複雑さに関する理論は、その下にある核の大きさにも左右されます。この点についても、研究者たちは新たな結論に至りました。
核は液体で、予想より大きい
火星の核の半径は約1,840キロメートルで、インサイト・ミッションが計画された15年前に想定されていたよりも、実に200キロメートル近く大きいことになります。研究者たちは今回、地震波を用いて核の大きさを再計算することができました。「核の半径が判明したことで、その密度を計算できるようになりました」とシュテーラーは述べています。
「核の半径が大きい場合、核の密度は比較的低いはずです」と彼は説明します。「つまり、核には鉄やニッケルに加えて、軽い元素が多く含まれているはずです。」これらには硫黄、酸素、炭素、水素が含まれ、予想外に大きな割合を占めています。研究者たちは、惑星全体の組成はまだ完全には解明されていないと結論づけています。それでも、現在の調査により、火星にはもはや磁場がないにもかかわらず、核が液体であることが確認されました。これは予想どおりです。
異なる波形による目標達成
研究者たちは、火星震によって生じるさまざまな地震波を分析し、今回の新たな成果を得ました。「インサイトのデータからすでにさまざまな波を捉えていたため、火星上でこれらの地震の震央が着陸機からどれほど離れていたかがわかっていました」とジャルディーニは述べています。惑星の内部構造について言及するには、表面または核で反射する地震波が必要です。今回、研究者たちは初めて火星でそのような波の観測と分析に成功しました。
「インサイト・ミッションは、このデータを捉える唯一無二の機会でした」とジャルディーニは述べています。着陸機の太陽電池が十分な電力を生み出せなくなるため、データの流れは1年後に途絶える予定です。「しかし、すべてのデータの分析はまだ始まったばかりです。火星には、特に地球と同時期に、同じ物質から形成されたのかどうかといった、多くの謎がいまだに残されています。」また、火星の内部ダイナミクスがどのようにして活動的な磁場や表面の水をすべて失わせたのかを理解することも特に重要です。「これにより、同様のプロセスが私たちの惑星でも起こり得るのか、またどのように起こり得るのかについて、手がかりが得られるでしょう」とジャルディーニは説明します。「私たちが火星にいる理由は、その解剖学を研究するためです。」
参考文献
Khan A ほか: Upper mantle structure of Mars from InSight seismic data. Science, 373, (6553) p. 434-438. doi: 10.1126/science.abf2966
Stähler S ほか: Seismic detection of the Martian core. Science, 373, (6553) p. 443-448. doi: 10.1126/science.abi7730
Knapmeyer-Endrun B ほか: Thickness and structure of the Martian crust from InSight seismic data. Science, 373, (6553) p. 438-443. doi: 10.1126/science.abf8966
