太陽風だけで水を生成

太陽風だけで水を生成できることを実証


水星表層付近のプラズマ環境を観測するベピ・コロンボ「みお」。地球の表面は大気と磁場により太陽風から護られている。大気も磁場もない月では、太陽風が月面に直接降り込むことになる。大気が無く磁場が十分に強くない水星においても、この記事で解説されている天体表面物質と太陽風イオンとの相互作用は、主要な研究テーマとなる。 Credit: JAXA

月や小惑星の表面に太陽風が当たるだけで水分子が生成されうることが、実験によって示された。月の表層に含まれる水を推計する上で重要な結果だ。

天体の表面を太陽が照らせば暖かくなり、そこに水があれば蒸発してしまうはずだ。大気のない天体では、蒸発した水はそのまま宇宙空間に逃げてしまう。だが、もっと微量なレベルに注目すると、大気のない環境では太陽からの照射が水を生むこともあるらしい。ここでいう太陽からの照射というのは、光ではなく太陽風だ。

太陽風が水（H2O）の生成に関わるのは、太陽風に含まれる水素イオン（H+）が鉱物に含まれる酸素イオン（O2-）と結びつくことによる。従来の研究では、太陽風の照射で直接作られるのは水酸基（-OH）であり、そこから水分子が形成されるには微小隕石の衝突が必要だとされていたが、JAXA宇宙科学研究所の仲内悠祐さんたちの研究によれば、水酸基から水を作り出すのも太陽風だけで実現できるという。

仲内さんたちは、炭素質隕石に含まれるケイ酸塩鉱物の一種、蛇紋石（serpentine）と石鹸石（saponite）の粉末サンプルに水素イオンビームを照射する実験を行い、照射前後の成分を比較した。その結果、鉱物中のSi-O（ケイ素－酸素）結合が破壊されて、新たにSi-OHやH2Oが生成されたことが確認された。水素イオンの照射で水酸基のみならず水も生成されることを、世界で初めて示したものだ。


含水珪酸塩鉱物の結晶構造図
水素イオンの照射によるケイ酸塩鉱物の結晶構造の変化。ケイ素と酸素が交互に手をつなぐ結合が水素イオンに破壊され（b）、片手だけ切り離された酸素に水素が結びついて水酸基になったり（c）、もう片側の結合も水素イオンに切り離されて水を生成したり（d）する（提供：JAXA）

この実験を元に計算すると、太陽から地球や月に届く水素イオンにより、わずか100～1000年という短い時間で、それ以上水酸基や水を生成できないところまで反応を進めることができるという。微小隕石の衝突が水の生成に必要だとする従来の理論では100万～1000万年という長いスケールを要するが、これを1万分の1にまで短縮するということになる。

月も大気を持たない天体であり、形成初期に全ての水が蒸発してしまったと考えられる。現在の月では、小天体の衝突で運ばれた氷が永久に太陽光が当たらないクレーターの内部で保存されるという特殊な状況でのみ水が貯蔵されていると考えられてきたが、最近になって表層の広い範囲に水分子が存在する可能性が指摘され（参照：「日の当たる月面にも水分子が存在」）、そこに太陽風が関わっているのではないかと議論されている。


クラビウスクレーター
月の南半球に位置するクラビウスクレーター（撮影：garakabaoさん）。クレーター内の砂から水分子が検出されている。画像クリックで天体写真ギャラリーのページへ

今回の研究結果は、月の表層にどれだけの水資源が存在するかを見積もる上でも重要なものと言えそうだ。

2021年3月5日
AstroArtsより