大型放射光施設 SPring-8

公開日

2022年02月03日

2022年2月3日
東京大学

発表のポイント
◆本研究グループが世界をリードする超高圧高温発生技術と、大型放射光施設SPring-8の放射光X線を用いた実験の組み合わせにより、世界で初めて、火星や地球コアに相当する高圧高温の条件下で、硫黄と水素を含んだ鉄合金の融解実験に成功しました。実験試料の詳細な観察の結果、火星コア中で鉄-硫黄-水素合金は、硫黄に富む液体と水素に富む液体の２つに（水と油のように）分離することが明らかになりました。
◆今回の結果から、冷却に伴って火星コア中で液体同士の分離が起こり、これがコアの対流の駆動とその後の抑制を引き起こしたことにより、およそ40億年前まで存在した火星磁場の発生と消失につながったと示唆されます。磁場の消失は、火星大気中の水素の宇宙空間への散逸、さらには火星の海の蒸発をもたらしたと考えられています。
◆このような火星磁場と海の消失のシナリオは、現在進行中のNASAの火星探査機インサイトの観測結果などからその妥当性がさらに検証されると期待されます。

背景
　火星の地殻に記録された磁場の研究から、今からおよそ40億年前までは、火星にも強い惑星磁場が存在していたとされています。その後、惑星磁場が消失したことから、大気中の水素が宇宙空間へ散逸し、水蒸気の水素と酸素への解離が進んで、やがて海が蒸発したと考えられています。そこで、地球と異なり、火星ではどうして磁場が失われたのかが大きな謎です。地球型惑星の磁場は液体のコア中で対流が起きることにより、電磁誘導によって磁場が生まれているとされています。この謎を解くには、火星コア中でどうして対流が起き、またどうしてそれが止まってしまったのかを明らかにする必要があります。

　地球や火星などの地球型惑星の金属コアは、鉄とニッケルに加えてそれらより軽い元素（軽元素）を含んでいると考えられています。中でも火星コアは、火星隕石の研究から大量の硫黄を含んでいるとされており、その見積もりは質量にして数%から20%以上まで及んでいます。しかし、地球と異なり火星では地震波観測による内部探査が進められていないことから、その組成や構造は明らかにされていませんでした。そのような火星内部の構造を調べるために、最近ではNASAの火星内部探査機インサイトによる内部構造探査が行われており、2022年には火星コアを地震学的に検知したという成果が報告されました。報告の中で、火星には液体のコアが存在するものの、その密度は従来の予測よりも小さく、硫黄以外の軽元素もコアに含まれていることが明らかにされました。

　太陽系の惑星形成時に、現在の小惑星帯かさらに外側の領域から、地球へ多くの水が運ばれてきたと考えられています。火星は地球よりも小惑星帯にずっと近いことから、火星にも大量の水がもたらされたはずです。その場合水素は高圧下で鉄に取り込まれやすい性質があることから、火星コアの軽元素の有力な候補の一つとされています。しかし、実験の難しさから火星コアを模擬した鉄-硫黄-水素合金の状態図（温度、圧力、組成といった条件に応じてその系がどのような状態を取るかを示す図）を調べる実験はほとんど行われてきませんでした。高圧下において行われた先行研究は固体に対する実験に限られており、液体であることが明らかになった火星コアを直接議論することはできませんでした。

研究内容
　 東京大学大学院理学系研究科地球惑星科学専攻の廣瀬敬教授を中心とする研究グループは、レーザー加熱式ダイヤモンドアンビルセル（LH-DAC）を用いた超高圧高温発生技術において世界をリードしてきました。LH-DACを用いた実験では、地球や火星内部に相当するような高い圧力下において鉄を溶かすほどの高温を発生させることができます。加えて、大型放射光施設SPring-8のビームラインBL10XUにおけるX線回折により、大気圧下では測定することができない鉄中の水素濃度の測定を高圧下で行うことが可能になりました。また、本研究グループが所有する集束イオンビームによる微細加工によって、液体の存在状態を解釈する上で重要となる、実験後に回収された試料の構造の詳細な観察を行うことができます。これらの技術を用いて、同専攻博士課程学生の横尾舜平と廣瀬敬教授を中心とした研究グループは、鉄-硫黄-水素合金の高圧下での融解実験を行うことに成功しました。

　融解実験後に大気圧に回収した試料の断面を観察した結果、40万気圧（火星コア中心部に相当する圧力）において3000 Kを超えるような温度に加熱された試料では硫黄と水素がともに均質に分布した一相の液体が存在していたことが分かりました。ところが、それよりも低い温度であった試料では液体が2つの異なる組成に分かれており、硫黄と水素がそれぞれ異なる側に濃集していた形跡が見られました（図1,2）。このことから、液体鉄-硫黄-水素合金は高圧下において、温度の低下に伴い、硫黄に富む液体と水素に富む液体に分離するということが分かりました。同様の実験を異なる圧力、温度に対しても行った結果、現在の火星コアとして見積もられている圧力（約20~40万気圧）と温度（約2000~2500 K）はこの液体合金が分離する条件と重なると結論づけられました（図3）。

　火星形成直後の初期の火星コアは現在よりも高温であったと考えられます。高温下で均質な一相の液体であった火星コアが冷え始めると二つの液体に分離し、底付近に重い液体がたまっていきます。その際に生じる軽い液体は浮き上がって火星コアの対流を促進することにより、火星磁場が発生します。しかし、冷却が十分に進みコアの大部分が二相に分離すると、重力的に安定な成層構造（重いものほど下にある）ができるため、今度はコアの対流を抑制し火星磁場を消失させる効果として働きます（図4）。このように、本研究の結果によって火星における磁場の発生と消失の両方のメカニズムが明らかになりました。

意義・今後の展望
　 本研究は、火星の磁場の形成と消滅、さらには海の蒸発を引き起こした可能性が高いメカニズムを提唱しました。このシナリオは、火星コアに硫黄に加えて水素が大量に含まれていることを前提としています。地球と同様、火星の水は、原始太陽系円盤ガスからH₂Oが氷として凝縮した領域（太陽から2.7 AU以上離れた領域）からやってきたはずです。火星は地球よりも太陽から遠い場所にあるため、地球よりも多くの水が運ばれてきたと考えられます。そのような大量の水が火星コアの水素のもととなった可能性が十分にあります。

　現在、NASAが進めている火星内部探査機インサイトによって、火星コアの構造がより詳細に判明していきつつあります。今後、火星コアに水素が含まれているのか、密度成層構造（重い液体が深い部分にある）が現在でも存在するのか、といったことを確認できれば本研究のシナリオを検証することができます。また、火星コアの詳細な構造を本研究の成果を用いて解釈することにより、火星を作った材料物質や惑星形成プロセスが明らかになっていくと期待されます。

用語説明