新たな研究によると、火星のリオット・クレーターを形成した衝突で生じた高温の噴出物が、惑星表面の雪や氷を溶かし、クレーター近くの水流で刻まれた谷を形成した可能性がある。
現在の火星は凍てつく砂漠で、南極大陸よりも寒く乾燥している。科学者らは、少なくとも過去30億年間、火星はほぼその状態だったと考えている。そのため、リオットと呼ばれる衝突クレーターの斜面に広がる、水流で刻まれた谷の広大なネットワークは、火星の謎の一つとなっている。このクレーターは15億～30億年前のいずれかの時期に形成された。
今回、研究チームは、リオット衝突当時、この地域が厚い氷の層に覆われていた可能性が高いと結論づけた。直径225キロメートルのクレーターを形成した巨大衝突によって、燃えるように高温の岩石が大量に氷の層へ吹き飛ばされ、その一部を溶かしたことで浅い谷が刻まれたという。
ここでは標高差を誇張して描いたリオット・クレーターには、比較的新しい、水流で刻まれた谷（白い筋）が見られる。新たな研究によると、水はクレーター形成衝突当時に存在した雪や氷が溶けて生じた可能性がある。（クレジット：David Weiss/NASA/Brown）
「火星のこの時代に氷の堆積物があったと考えられる場所と、リオットの噴出物が氷床に降り注いだことで生じ得る融水の量を踏まえると、これが谷の形成について最も妥当なシナリオだと考えています」と、ブラウン大学で博士号を取得したばかりで、本研究の筆頭著者であるデビッド・ワイスは述べる。
ワイスは、次の学術誌に掲載された研究論文を共同執筆した。Geophysical Research Letters指導教員で惑星科学教授のジム・ヘッド、大学院生仲間のアシュリー・パルンボ、ジェームズ・カッサネリとの共著である。
かつて火星の表面を水が流れていたことを示す証拠は数多くある。リオットに似た、水流で刻まれた谷のネットワークが複数の場所で見つかっている。古代の湖系を示す証拠もあり、NASAの探査車キュリオシティが現在探査しているゲール・クレーターや、次の探査車の着陸候補地であるジェゼロ・クレーターなどがその例だ。
しかし、こうした水に関連する地表の特徴の大半は、火星史のごく初期にさかのぼる。ノアキス紀とヘスペリアン紀と呼ばれる時代で、それぞれ約40億年前、約30億年前に終わった。約30億年前から現在まで、火星はアマゾニアン紀と呼ばれる極度に乾燥した時代にある。
したがって、リオットの谷のネットワークは、比較的新しい時代に地表で水が活動した珍しい例だ。科学者らはクレーター自体をアマゾニアン紀のものと年代測定しており、谷のネットワークは衝突とほぼ同時期か、その直後に形成されたようだ。では、乾燥したアマゾニアン紀に、これほどの水はどこから来たのだろうか。
科学者らは考えられる説明をいくつか提示しており、研究者たちはそのうち主要なものを複数検証することにした。
たとえば、考えられる説明の一つは、リオット衝突が起きた時に地下水の巨大な貯留層が存在したというものだ。衝突によって解放された水が、クレーターの周縁に沿って地表へ流れ出し、谷を刻んだ可能性がある。しかし、地質学的証拠に照らすと、このシナリオは可能性が低いと研究者らは述べる。
「もしこれらの谷が深部地下水の流出によって形成されたのなら、その水はクレーターの内部にも流れ込んだはずです」とワイスは言う。「クレーター内部に水が存在した証拠は見つかっていません。」
研究者たちは、リオット衝突後に一時的な大気の影響が生じた可能性も検討した。この規模の衝突では大量の岩石が蒸発し、水蒸気の噴煙が空中に放出されたはずだ。その高温の噴煙が冷たい大気と相互作用すれば、降雨が生じた可能性があり、それが谷を刻んだのではないかと考える科学者もいる。
しかし、研究者らはこの可能性も低いと結論づけている。噴煙に関連した雨が降るのは、岩石の衝突噴出物がクレーターの外に堆積した後だったはずだ。したがって、雨水が谷を刻んだのであれば、噴出物の層を横切る谷が見られるはずである。ところが、リオットの噴出物の上には谷がほとんどない。
むしろ、パルンボはこう述べる。「谷の大半は、噴出物の外縁部でその下から現れているように見えます。このことは、雨水による形成というシナリオに強い疑問を投げかけます。」
こうして研究者たちは、高温の噴出物が氷に覆われた地表と相互作用して生じた融水が、リオットの谷を刻んだという考えに至った。
火星の気候史モデルによると、現在は主に惑星の極域に閉じ込められている氷が、リオットのある中緯度地域へ移動することがしばしばあった。また、衝突当時、この地域に実際に氷床が存在していたことを示唆する証拠もある。
その証拠の一つは、リオットに二次クレーターが少ないことだ。二次クレーターは、大規模な衝突で空中に吹き飛ばされた大きな岩塊が地表に落下し、主クレーターの周囲に小さなクレーターをまばらに残すことで形成される。研究者らによると、リオットでは予想される数よりも二次クレーターがはるかに少ない。
研究者らは、その理由として、リオットの噴出物が地表に直接落下せず、厚い氷の層に降り注ぎ、その下の地表をえぐるのを防いだ可能性を挙げる。リオット北側の地形に基づき、チームは氷の層の厚さを20～300メートルと推定している。
リオット衝突では岩石が大量に氷の層へ飛ばされ、その一部は華氏250度以上に熱せられたはずだ。この過程の熱モデルを用いて、研究者らは、高温の岩石と地表の氷床との相互作用によって数千立方キロメートルの融水が生じたと推定している。これはリオットに見られる谷を刻むのに十分な量だ。
「これは、大気を温暖化させたり、液体の地下水があったりしなくても、火星に大量の液体の水をもたらす方法を示しています」とカッサネリは言う。「そのため、アマゾニアン紀にこうした水路が形成された仕組みを説明する有力な説だと考えています。」
さらにヘッドによると、この同じメカニズムはアマゾニアン紀より前にも重要だった可能性がある。火星はノアキス紀やヘスペリアン紀の初期にも、かなり寒冷で氷に覆われていたと考える科学者もいる。そうであれば、この融水のメカニズムは、火星にあるより古い谷のネットワークの少なくとも一部も形成した可能性がある。
「確かに、調べる価値のある可能性です」とヘッドは言う。
