本記事は The Conversationとの協力により掲載されています。
科学者たちは初めて、太陽に接近した彗星を取り巻くガスの雲、すなわちコマ内で分子状酸素（O2）を検出した。この発見は太陽系がどのように形成されたかについての私たちの理解に疑問を投げかけるものであり、欧州宇宙機関の ロゼッタ探査機 が周回していた彗星 67P/Churyumov-Gerasimenko の観測により行われた。
この成果は、 Nature誌に掲載されたもので研究者にとって完全に予想外のものだった。
酸素（O2）の起源をたどる
酸素は私たちの銀河系と太陽系で最も豊富な元素の一つであり、私たちは毎回の呼吸で、 大気の20% を占める遊離分子状酸素を当然のものとして受け止めている。では、彗星で酸素を見つけることがなぜそれほど重要なのか。酸素は水素（H）や炭素（C）などほかの豊富な元素と容易に結合し、水（H2O）や二酸化炭素（CO2）を形成する。
遊離酸素を生成するには、これらの分子を再び構成要素に分解するためのエネルギーが必要である。大気中の高濃度の遊離酸素は、地球上の植物による光合成活動によって絶えず補充されているからこそ維持されている。実のところ、私たちの大気はそれほど特異なものであり、太陽以外の恒星を周回する惑星の周囲で同様に酸素の豊富な大気が見つかった場合、最も可能性の高い説明は実際には生命の存在であろう。しかし、67P上の酸素には生命はまったく関係がない。この彗星は、 生命の構成要素の一部を含んではいるものの、それらを組み立てる条件は備えていない。
水、一酸化炭素、二酸化炭素が彗星のコマ内の 主要なガス であることが分かっている。そのため研究の著者らはまず、酸素が探査機に由来する可能性、あるいは探査機のスラスター推進剤との反応によって生成された可能性を除外している。ほかの説明としては、化学反応や放射線との相互作用が挙げられ、たとえば紫外線も、これらの分子を分解して遊離酸素を生成しうる。
他の氷天体で観測された微量の酸素は、たとえば 木星の衛星 （エウロパ、ガニメデ、カリスト）や土星の環でも、紫外線（光分解）や、より高エネルギーの放射線（放射線分解）によって水やCO2分子が分解されることで生成される。しかし研究者らは、67Pが太陽に接近するにつれて酸素が一定して放出されることを測定し、これは酸素が氷状の核全体に均等に分布しており、彗星の形成以来の光分解や放射線分解の結果ではないことを示唆している。
太陽系内の彗星は惑星形成の際に残された物質からできている。したがって、それがどのようにしてそこに存在するに至ったかを理解するには、太陽系が 太陽系星雲または原始惑星系円盤 から形成された時点まで遡る必要がある。彗星が小さな氷や塵の粒子を集めて成長する過程で酸素を取り込むことができるという事実は一つのことであり、それを今日まで保持し続けることはまた別の問題である。そこに今も存在しているという事実は、彗星が太陽系形成時、45億年前の最も原始的で、変化の最も少ない残存物であるという考えを裏付けている。
しかし、67Pの尾に酸素があるのなら、ほかの測定や他の彗星ではすでに見つかっているはずではないか。残念ながら、望遠鏡による彗星観測から酸素を検出するのは難しい。その代わりに、科学者たちは現在、ほぼ30年前に行われた別の 彗星への接近（ハレー彗星）のデータを、科学者たちは今まさに再検証している。
太陽系誕生への一瞥
しかし現時点では、67Pに存在する酸素が一度限りの観測結果であると考える理由はない。では、私たちの太陽系を生み出したと考えられている太陽系星雲または原始惑星系円盤の条件について、遊離酸素の存在は何を物語っているのだろうか。
遊離酸素は星間星雲や星間雲でめったに観測されず、そのため太陽系が形成された時点でそこに存在していたとは想定されない。しかし例外もあり、そのうちの一つが、何が起きていたのかを理解する鍵を握っているかもしれない。雲 ρ Ophiuchi は、星間雲の平均温度である約 10ケルビン（-263°C）よりもわずかに高い、20〜30ケルビン（-253°Cから-243°C）の温度を持つ。この「温かい」雲における水に対する酸素の量は、67Pのコマで観測されたものに匹敵する。わずかに温度が高ければ、酸素は冷たい氷や塵の粒子の表面で凝縮する（気体から液体になる）代わりに、より容易に昇華する（液体を経ずに気体になる）ことができる。凝縮が起これば、酸素はそこで水素と反応して水を形成することになる。
つまり、私たちの太陽系は異例に温かい雲から形成された可能性があり、そのことは、この温度上昇を何が引き起こしたのかという問いを提起する。
研究の著者らはまた、酸素の生成や彗星への取り込みに関する、より複雑な別の方法も検討している。水の氷の粒子内にO2ガスが閉じ込められるには、急速な加熱と冷却の過程が必要となるだろう。一方、星雲内の氷の粒子の放射線分解では、これらの粒子が変化を受けずに彗星へと集積していることが必要となり、つまり、粒子同士の衝突やその他の潜在的な熱源による大きな衝撃はあまり予想されない、ということになる。
さらなる研究によって、太陽系形成の最初期に起きた出来事の順序を解明する助けとなることが期待される。ロゼッタによる彗星67P/Churyumov-Gerasimenkoの調査は、惑星形成以前の時代への窓を私たちに提供してくれるため、依然として刺激的である。この彗星が今後私たちにもたらすであろう次の驚きに期待したい。
掲載は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではない。
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著者：Christian Schroederは、University of Stirling（スターリング大学）で環境科学・惑星探査の講師を務めている。
画像：この5分間の露光画像に彗星が写っている。REUTERS/Aaron Kingery/NASA/MSFC/Handout。
