火星探査の合言葉「水を追え」を、私たちは10年以上にわたり聞いてきた。今回、 新たな論文 が2015年10月9日付で科学誌『 Science』に掲載され、マーズ・サイエンス・ラボラトリー（MSL）チームは、単に水を追うだけでなく、その水がどこから来たのか、またはるか昔に火星の表面でどれほどの期間存在したのかを解明しようとする取り組みの最新成果を発表している。
明らかになってきた物語は、水に満ちたものである。数十億年前の火星は、現在よりも質量の大きい大気を持ち、長期間存続する湖に水を蓄えられる活発な水圏を備えていたようだ。MSLチームは、この水がゲール・クレーターを堆積物で埋める一助となったと結論づけている。このクレーターは、MSL探査車キュリオシティの着陸地点であり、堆積物が層として積み重なり、今日クレーター中央にそびえる山の基盤を形成した。
キュリオシティは2012年8月以降、推定38億〜36億年前のゲール・クレーターを探査し続けている。2014年9月中旬、探査車はエオリス山の麓に到達した。エオリス山は高さ3マイルの層状の山で、 「マウント・シャープ」と呼ばれ、故カリフォルニア工科大学（Caltech）の地質学者ロバート・シャープにちなんで名付けられている。キュリオシティはそれ以来、この山の麓を探査してきた。
「探査車による観測から、38億年前から33億年前のある時点に、長期間続いた一連の河川と湖が存在していたことが示唆される。これらは堆積物を運び、シャープ山の下部の層を少しずつ積み上げた」とMSLプロジェクトサイエンティストのアシュウィン・ヴァサヴァダ（PhD ’98）は述べる。「しかし、この一連の長期間存続した湖は、火星の古代気候に関する既存のモデルでは予測されておらず、それらのモデルは気温を氷点以上にすることに苦労している」と彼は語る。
古気候学者が開発したモデルから導かれる火星の古代気候の予測と、地質学者が解釈する同惑星の水に満ちた過去の痕跡とのこのずれは、ある百年来の科学的難問と類似している。今回の場合、その難問は地球の古代の過去に関するものである。
当時、地質学者は大陸の形が、散らばったパズルのピースのようにぴったり合うことに初めて気づき始めた、とCaltechのフレッチャー・ジョーンズ地質学教授、惑星・地質科学部門長、そして本論文の筆頭著者であるジョン・グロッツィンガーは説明する。「大陸の形のほかに、地質学者はアフリカと南米の化石植物や動物が近縁であることを示す古生物学的証拠や、共通の空間的起源を示唆する特異な火山岩も持っていた。問題は、幅広い地球科学者のコミュニティが、大陸がどのようにして地球のマントルを掻き分けて進み、離れていったのかを説明する物理的メカニズムを見いだせなかったことだ。不可能に思えた。欠けていた要素がプレートテクトニクスだった」と彼は語る。「それと似た形で、我々は火星について何か重要なものを見落としているのかもしれない。」
キュリオシティはゲール・クレーターを踏破する間、多数の関心の高い地点で立ち止まり、調査してきた。すべての対象は撮像され、いくつかからは土壌試料が採取された。また、ごく一部の場所では岩石が試料採取のために掘削された。これらの試料は、探査車に搭載された分析装置へ送られる。これらの装置から得られたデータ、搭載カメラによる視覚的画像、および分光分析を用いて、MSLの科学者たちは、火星のこの地域の進化について、ますます首尾一貫した説得力のある物語を組み立ててきた。
キュリオシティが火星に着陸する以前、科学者たちはゲール・クレーターが堆積物の層で満たされたと提唱していた。一部の仮説は「乾燥した」もので、堆積物は風に運ばれた塵や砂によって蓄積されたことを示唆していた。一方、他の仮説は、堆積物の層が古代の河川や湖で堆積した可能性に焦点を当てていた。キュリオシティによる最新の結果は、これらのより湿潤なシナリオがシャープ山の下部について正しかったことを示している。新たな分析に基づくと、少なくともその山の最下層の堆積は、主に古代の河川と湖によって起こった。
「ゲールを踏破する間に、我々は地質に見られるパターンに気づいた。粗い礫を伴う古代の速い流れを示す証拠や、河川が静止した水域へと流れ出ていたと思われる場所が見られたのだ」とヴァサヴァダは述べる。「予測では、シャープ山に近づくにつれ、水によって堆積した細粒の岩石が見られ始めるはずだった。実際に到着してみると、細かく層をなした泥岩が豊富に見られる。」地層中のこれらのシルト質の層は、古代の湖の堆積物と解釈されている。
「これら細かく層をなした泥岩は、地球で見られるものと非常によく似ている」と、Caltechの地質生物学教授で本論文の共著者であるウッディ・フィッシャーは語る。「層理の規模はミリメートルからセンチメートルの両方で見られ、静止した水域を通じて細かい堆積物の筋が沈降していったことを表している。これは、地球上の古代の湖を表す岩石で我々が見ているものとまさに同じだ。」この泥岩は、長期間存在した湖の形で静止水域が存在していたことを示しており、数百年から数百万年の間に、繰り返し拡大と縮小を起こした可能性がある。これらの湖が、最終的に山の下部を形成した堆積物を堆積させた。
「逆説的だが、今日山がある場所には、かつては盆地があり、時に水で満たされていた」とグロッツィンガーは語る。「キュリオシティは約75メートルの堆積充填を測定したが、NASAの火星偵察軌道船のマッピングデータとキュリオシティのカメラによる画像に基づくと、水によって運ばれた堆積物の堆積は、クレーター底から少なくとも150〜200メートルの高さまで及んでいた可能性があり、これは、ゲール・クレーター盆地内に湖が断続的に存在し得た数百万年の期間に相当する」とグロッツィンガーは述べる。さらに、水との相互作用を示すゲール・クレーターの堆積物の総厚は、さらに高く、クレーター底から最大で約800メートルまで及び、数千万年を表している可能性もある。
しかし、その高さより上に堆積した層は、堆積や変質の要因として水を必要としない。「800メートルより上では、シャープ山に水和した地層の証拠は見られず、そこが山を形成する大部分である。さらに4,000メートルにわたって、乾燥した地層ばかりが見られる」とグロッツィンガーは語る。彼は、クレーターの歴史のこの区間は、かつてキュリオシティが調査した下部について想定されていたように、風成、すなわち風によって駆動された堆積に支配されていた可能性があると示唆する。これは、山の基底を形成した湿潤な時期の後に起きた。
堆積物をクレーター内へ運んだ水の本来の供給源については、依然として疑問が残る。地表に流水が存在するためには、火星はゲール・クレーターで激しい地質活動が起きた前後の時期について理論化されているものより厚い大気と温暖な気候を持っていなければならなかった。この古代のより湿潤な気候の証拠は、岩石記録の中に存在する。しかし、初期大気の質量、組成、および太陽から受け取ったエネルギー量の推定値を織り込んだ、この古気候の現在のモデルは、文字通り水の存在を示せずにいる。これらのモデルは、火星の大気が大量の液体の水を維持することはできなかったことを示している。
しかし、ゲール・クレーターで発見された岩石記録は、異なるシナリオを示唆している。「降雪であれ降雨であれ、ゲール・クレーターの縁の高地にその水分が蓄積したことを示す地質学的証拠がある」とグロッツィンガーは語る。ゲール・クレーターの場合、少なくとも一部の水は、クレーターの縁を形成する高地から供給されたが、地下水の流出――湿潤な地質学的観測と乾燥した古気候予測を整合させるための標準的な説明――は、この地域では起こりにくい。「ゲールの北縁のすぐ反対側には北部平原がある。北部に海があったと主張する人もおり、それは岩石で我々が見ているものに合致させるために必要な水分を得る一つの方法だ。」しかし、海の可能性のある位置を特定しても、その水が地表で長期間液体として存在し続けた仕組みの説明には役立たない。
気候学者が新たな大気モデルを開発しようとする中、キュリオシティによる継続的な探査からの助けが期待される。「火星の歴史にはまだ何キロメートルもの地層が探査を待っている」とフィッシャーは語る。彼は、キュリオシティが山をさらに登るにつれ、今後数年のうちに、これまでで最も刺激的なデータの一部が得られるかもしれないと考えている。「地層はゲールの初期の歴史、その物語を明らかにするだろう。湖の水中で堆積した岩石が存在することはわかっている。これらの岩石の化学組成はどのようなものだろうか。その湖は水と大気の境界面を表しており、当時の環境について重要な事柄を我々に教えてくれるはずだ。」
「我々は火星を単純なものだと考えがちだった」とグロッツィンガーは付け加える。「かつては地球も単純だと考えていた。しかし、より深く調べるほど疑問が生じてくる。火星で我々が目にしているものの本当の複雑さを理解し始めているからだ。今こそ、我々の前提をすべて再評価するよい時期である。どこかに何かが欠けている。」
本記事は、 Caltechとの協力により掲載されたものです。掲載は世界経済フォーラムによる見解への支持を意味するものではありません。
The Agendaの最新情報を追うには、 週刊ニュースレターに登録してください。
執筆者：ロッド・パイルはCaltechの科学ライターである。
画像：ヨルダンの少年が火星の画像とともにポーズをとっている。REUTERS/Ali Jarekji.
