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# BOOK-0220 天文派生・太陽系天体史 第1巻 — 月・火星・太陽、三つの伝記

# BOOK-0220 天文派生・太陽系天体史 第1巻 — 月・火星・太陽、三つの伝記

> 学問の宇宙・自然科学の惑星群 天文学派生分野。ガイド役: Fable 5 監修 / Sonnet 5 執筆(脚本班)
> トーン規約: GAKUMON_UNIVERSE.md準拠。専門用語は初出で必ず説明する。水準三〜六中心、最新観測・仮説的話題は水準六〜七。

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# BOOK-0220 天文派生・太陽系天体史 第1巻 — 月・火星・太陽、三つの伝記

> 学問の宇宙・自然科学の惑星群 天文学派生分野。ガイド役: Fable 5 監修 / Sonnet 5 執筆(脚本班)

> トーン規約: GAKUMON_UNIVERSE.md準拠。専門用語は初出で必ず説明する。水準三〜六中心、最新観測・仮説的話題は水準六〜七。

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## 本書の一枚要約(まず全体を掴むための1ページ)

**何を書いた本か**: 月・火星・太陽という、人類がもっとも近くで詳しく調べてきた3つの天体を題材に、それぞれの「誕生から現在、そして将来」までを一冊で追う伝記である。恒星全般の一生を扱った→BOOK-0093(天文派生・恒星進化第1巻)や、宇宙全体を扱った→BOOK-0101(天文派生・宇宙論第1巻)とは異なり、本書は「手の届く範囲にある、具体的な3天体」だけに絞り込み、そのぶん一段深く掘り下げる。

**何が身につくか**: 天体の内部や過去は、直接目で見ることができない。だが天文学者・惑星科学者は、同位体組成の分析、赤外線・可視光の分光観測、地震波(月震・火震・日震)の解析、探査機が送ってきた実測データという、いくつもの間接的な手がかりを組み合わせて結論を導いている。本書を読み終えたとき、読者は「なぜその結論が言えるのか」という手がかりの部分まで理解し、実際の探査ミッションの報告書や観測データを自分で読み解く土台を得られるはずである。

**どこで再利用できるか**: 本書で扱う観測手法(同位体年代測定・分光による組成推定・地震学的内部構造推定・その場探査データの読み方)は、月・火星・太陽に限らず、金星や木星の衛星、あるいは太陽系の外にある系外惑星の環境を評価する際にもそのまま応用できる、汎用性の高い「考え方の道具箱」である。

**章立て地図**:

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第一部 月(第1〜5章): 形成(ジャイアント・インパクト)→分化と後期重爆撃期→海の形成→月震学→現在(潮汐固定)

第二部 火星(第6〜10章): 形成と初期環境→水の地形的証拠→鉱物学的証拠と分光観測→大気散逸→現在の探査状況

第三部 太陽(第11〜15章): 形成(重力収縮)→核融合(pp連鎖・CNOサイクル)→日震学とニュートリノ観測→現在の活動→将来予測

終章(第16章): 観測手法から読み解く太陽系天体史(分光・地震学・探査機データの読み方を横断的にまとめる)

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**未確定な点の扱い方**: 本書では、確立した理論(大枠として広く受け入れられている説)と、まだ決着のついていない仮説・研究途上の論点を、意識して書き分ける。特に火星の生命探査については、「生命の痕跡が見つかった」という表現は使わず、「生命の存在に適した過去の環境の証拠」という、現時点で科学的に正確な表現を徹底する。将来予測(太陽の赤色巨星化など)についても、確立した恒星進化理論に基づく推定であることを明記し、断定は避ける。

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## 入口の物語 — 「行ける天体」と「行けない天体」のあいだ

→BOOK-0093(天文派生・恒星進化第1巻)では、地球から640光年も離れたベテルギウスや、8.6光年先のシリウスといった、人類がおそらく永遠に足を踏み入れられない星々の一生を追いかけた。→BOOK-0101(天文派生・宇宙論第1巻)にいたっては、138億年前の宇宙の始まりという、人類のどんな乗り物でも到達できない時空を扱っていた。これらの学問は、光という間接的な手がかりだけを頼りに、途方もなく遠い対象を推理する営みだった。

しかし、本書で扱う月・火星・太陽は、事情がまったく違う。

月には、人類が実際に12人、自分の足で降り立ち、382キログラムもの岩石・砂・塵を持ち帰った(アポロ計画、1969年〜1972年)。火星には、これまでに何十機もの探査機が着陸・周回し、現在も複数のローバー(探査車)が実際に車輪の跡を残しながら走り回っている。太陽にいたっては、人類はその内部で作られた光や、内部の反応で放出される素粒子そのものを地球で直接検出することにすら成功している。

つまり月・火星・太陽は、天文学の中でも特別な位置にある。「望遠鏡で遠くから眺めるだけの対象」ではなく、「実際にモノを持ち帰り、実際に足跡やタイヤ跡を残し、実際に内部の粒子を捕まえられる対象」なのである。この違いは、観測手法という観点から見るととても重要な意味を持つ。遠くの星や銀河について語られる理論の多くは、実はまず月・火星・太陽という「手の届く実験場」で確立された手法を、より遠くの天体に応用したものだからだ。

たとえば、隕石や月の岩石の同位体組成を分析して天体の年齢を求める手法は、後にもっと遠くの天体の年代推定にも応用される考え方の土台になっている。探査機を使って天体表面の反射スペクトルを調べる手法は、望遠鏡による恒星や系外惑星の分光観測(→BOOK-0019望遠鏡と天文観測第1冊で扱った分光の原理)と、原理としては地続きである。そして地震波を使って天体内部を透視する技術(地震学)は、地球の内部構造を調べる手法がそのまま月や火星、さらには太陽(日震学)にまで応用された、応用範囲の広い「透視の技術」である。

本書は、この「行ける天体・触れる天体」だからこそ得られた、具体的でこまかい証拠の数々をたどりながら、月・火星・太陽という3つの天体それぞれの誕生から現在、そして(太陽については)将来までの伝記を描いていく。同時に、それぞれの結論がどんな観測手法によって支えられているのかを、一段ずつ丁寧に確認していきたい。

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# 第一部 月 — もっとも身近な「もう一つの地面」

## 第一章: 月の形成 — ジャイアント・インパクト説とその根拠

### 1-1. 月はどうやってできたのか、という長年の謎

月は地球にとって唯一の自然の衛星(えいせい、→BOOK-0024天文学第1冊で定義済み: 惑星の周りを回る天体)であり、太陽系の衛星の中でも、親惑星である地球に対して極めて大きい(直径で地球の約4分の1)という、かなり異例な存在である。この「主星に対して不釣り合いに大きい衛星」という特徴こそが、月の起源をめぐる議論を長年悩ませてきた最大の理由である。

20世紀の天文学・惑星科学では、月の起源について大きく3つの説が競合していた。

1. **兄弟説(共成長説)**: 地球と月は、原始太陽系円盤の中でほぼ同時に、近い場所で一緒に集積してできた、という考え方。

2. **捕獲説**: 月はもともと別の場所でできた天体で、たまたま地球の近くを通りかかった際に、地球の重力に捕らえられて衛星になった、という考え方。

3. **分裂説(親子説)**: 地球ができた直後、まだ自転が非常に速かった時代に、地球本体の一部がちぎれ飛んで月になった、という考え方(19世紀にジョージ・ダーウィン、チャールズ・ダーウィンの息子が提唱したことで知られる)。

ところが、この3つの説にはいずれも、力学的あるいは化学的に説明しづらい弱点があった。兄弟説は、地球と月が近い場所で同時にできたのなら化学組成が似ているはずという予測はできるが、月の平均密度が地球よりもかなり小さい(月には鉄でできた核がほとんどない)ことをうまく説明できない。捕獲説は、天体が別の天体にうまく「捕獲」されるためには極めて特殊な速度・角度の条件が必要で、力学的に起こりにくい。分裂説は、地球の自転がそこまで速くなるための力学的な根拠が乏しい。

### 1-2. ジャイアント・インパクト説の登場

これらの弱点を一挙に解消する説として、1970年代半ばに提唱され、現在もっとも広く支持されているのが**ジャイアント・インパクト説(巨大衝突説、水準四: 誕生してまもない地球に、火星ほどの大きさを持つ天体が衝突し、飛び散った破片が地球の周りに集まって月になった、とする説)**である。

この説によれば、太陽系ができてからおよそ数千万年後、まだ完全に固まりきっていない誕生直後の地球に、火星ほどの質量を持つ天体(この仮想的な衝突天体には、しばしば「テイア」という名前が与えられる)が斜めに衝突した。この衝突は、地球の自転軸を傾け、地球とテイアの両方の外層(主にマントル物質)を宇宙空間に大量に蒸発・飛散させるほど激しいものだったと考えられている。飛び散った高温の破片やガスは、地球の周りに一時的な円盤(現在の土星の環のような構造をイメージするとわかりやすい)を形成し、その円盤の中の物質が数十年から数百年という、天文学的にはごく短い時間スケールで重力によって集積し、月になった、というのがこの説の骨子である。

この説が魅力的なのは、先に挙げた3つの弱点をまとめて解決できる点にある。月の密度が低いことは「衝突で飛び散ったのは主に軽いマントル物質であり、地球やテイアの重い金属核の大部分は地球側に残った」と考えれば自然に説明できる。地球の自転軸の傾きや、地球・月系が持つ大きな角運動量(かくうんどうりょう、水準四: 回転運動の勢いを表す物理量)も、巨大な衝突というダイナミックな出来事なら無理なく説明できる。

### 1-3. 根拠その1 — アポロ試料の同位体組成

理論的にもっともらしい、というだけでは科学的な証拠にはならない。ジャイアント・インパクト説が支持される最大の理由は、**アポロ計画(1969年〜1972年)**によって地球に持ち帰られた月の岩石試料を分析した結果にある。

ここで鍵になるのが**同位体(どうたいい、水準三: 同じ元素でありながら、原子核の中の中性子の数だけが異なる原子の種類)**の組成分析という手法である。たとえば酸素という元素には、酸素16・酸素17・酸素18という、質量のわずかに異なる同位体が存在する。ある天体がどんな割合でこれらの同位体を含んでいるかという「同位体の指紋」は、その天体が太陽系のどのあたりで、どんな材料からできたかを反映する、非常に敏感な手がかりになる。地球や火星、あるいは様々な隕石は、それぞれ少しずつ異なる酸素同位体の指紋を持っていることが知られている。

もし月が(捕獲説が主張するように)まったく別の場所でできた天体なら、月の酸素同位体比は地球とは明確に異なっているはずである。ところが、アポロ試料を分析した結果、**月の酸素同位体比は、地球の岩石とほとんど区別がつかないほどよく似ている**ことがわかった。この事実は、月が地球とは無関係などこかよそでできた天体ではなく、地球そのものの物質(あるいは地球と非常によく似た組成を持つ天体の物質)からできたことを強く示唆しており、捕獲説にとっては致命的な反証、ジャイアント・インパクト説にとっては有力な支持証拠となった。

その後の研究では、酸素だけでなく、チタン・クロム・ケイ素・カルシウム・マグネシウムなど、様々な元素の同位体組成についても、月と地球が驚くほど似ていることが次々と確認されている。

### 1-4. 根拠その2 — 同位体年代測定という手法そのものについて

ここで、同位体を使ったもう一つの重要な観測手法、**放射年代測定(ほうしゃねんだいそくてい、水準四: 放射性同位体が一定の速さで別の元素(娘核種)に変化していく性質を利用して、岩石や鉱物ができた年代を求める手法)**についても触れておきたい。この手法は、月の年代だけでなく、地球や隕石、そして太陽系全体の年齢を求める際の基本的な道具になっている。

放射性同位体は、時間とともに一定の割合で崩壊し、別の(安定な)元素に変わっていく。この崩壊が進む速さは、**半減期(はんげんき、水準三: ある放射性同位体の量が、元の半分になるまでにかかる時間)**という数値で表され、同位体の種類ごとに決まった値を持つ。岩石が固まった瞬間に、その中に含まれていた放射性同位体(親核種)の量と、そこから生まれた安定な同位体(娘核種)の量の比率を測定すれば、その岩石が固まってからどれだけの時間が経過したかを計算で求めることができる。

**計算の考え方(具体的な数値を使った例、あくまで手法を理解するための仮の数値であることに注意)**: ある放射性同位体の半減期が10億年だとし、ある岩石を分析した結果、「岩石ができた当初の親核種の量」に対して、現在残っている親核種の量が4分の1(25%)だったとする。半減期が10億年ということは、10億年経つごとに量が半分になるので、25%になるには半減期2回分(50%→25%)、つまり**10億年×2=20億年**が経過したと計算できる。実際の研究では、親核種と娘核種の比率は多くの場合もっと細かい端数になるため、半減期の整数倍ではなく、対数を使った計算式(t = 半減期 ÷ log2 × log(初期量 ÷ 残存量)という形の式)で年代を求めるが、基本的な考え方は「半分になる速さが分かっている時計を、岩石の中に埋め込んで読み取る」という点に尽きる。

月の場合、複数の異なる放射性同位体の組み合わせ(たとえばハフニウム182からタングステン182への崩壊系列など、様々な手法が使われている)を使った年代測定の結果、月をつくったマグマオーシャン(次章で扱う、月全体が高温で融けていた時期)の固化(こか、水準四: 融けていた物質が冷えて固体に戻ること)は、太陽系そのものができたとされる**およそ45億6700万年前**から、**およそ5000万年から1億1000万年ほど後**、つまり**およそ45億1000万年前から44億5700万年前**の間に完了したとする研究結果が、2023年に発表されたカルシウム・マグネシウム同位体を用いた分析(コミュニケーションズ・アース・アンド・エンバイロメント誌に掲載)などで示されている。

ここで正直に述べておかなければならない点がある。月の正確な形成年代については、使う同位体の系統(酸素・ハフニウム-タングステン・カルシウム-マグネシウムなど)や解析手法によって、得られる年代にいくらかの幅(前述のようにおよそ44億5700万年前から45億1000万年前という範囲)があり、天文学者・惑星科学者の間で完全に一致した単一の年代が決まっているわけではない。「太陽系ができてからそれほど遠くない時期(数千万年から1億年程度のうち)に、月をつくる出来事が起きた」という大枠は確立しているが、より細かい年代の一致はいまなお研究が続いている、という点は明記しておきたい。

### 1-5. ジャイアント・インパクト説になお残る謎

ジャイアント・インパクト説は現在もっとも支持されている説だが、万能というわけではない。むしろ皮肉なことに、**月と地球の同位体組成があまりにもよく似すぎている**という事実そのものが、近年では新たな謎として研究者を悩ませている。

単純なジャイアント・インパクト説の計算モデルでは、月の材料の大部分は衝突天体テイア側の物質からできると予測されることが多い。もしテイアが地球とは異なる場所(異なる同位体組成を持つ場所)で形成された天体だったなら、月と地球の同位体組成にはもっとはっきりした違いが残っているはずである。ところが実際の観測はそうなっていない。

この「似すぎ問題」を説明するため、近年ではより衝突のエネルギーが大きく、地球とテイアの物質がガス状になるまで激しく混ざり合ったとする、**シネスティア(水準六: 巨大衝突の直後に生じる、通常の岩石天体と違い、高速回転する高温のガスと融けた岩石が一体化した、ドーナツ状の一時的な天体構造)**と呼ばれるモデルなど、より複雑なシナリオも提案されている。また、バナジウムなど一部の元素の同位体分析からは、衝突前の地球とテイアがそもそも化学的に非常に近い天体だった可能性を示す結果も報告されている。

つまり「ジャイアント・インパクト説という大枠」は非常に有力な証拠に支えられているが、「衝突の詳細な条件(衝突の角度・速度、テイアの正体、混ざり方の程度)」については、依然として研究途上の未確定な領域が残っている、というのが2020年代なかばの時点での正直な到達点である。

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## 休憩所①: まとめ箱 — 第一章のポイント

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月の起源説: 兄弟説・捕獲説・分裂説はいずれも弱点があり、

→ ジャイアント・インパクト説(火星サイズの天体テイアが地球に衝突し、

飛び散った破片が集まって月になった)が現在もっとも支持される

根拠1: アポロ試料の酸素同位体比が地球とほぼ一致(捕獲説への反証・衝突説への支持)

根拠2: 放射年代測定(半減期を使った時計)により、

月のマグマオーシャン固化はおよそ45億1000万年前〜44億5700万年前(2023年研究)

→ 太陽系形成(約45億6700万年前)から5000万〜1億1000万年後

未確定点: 衝突の詳細な条件、月と地球の同位体組成が「似すぎている」問題は

シネスティアなどより複雑なモデルで説明が試みられている研究途上のテーマ

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## 第二章: 分化と後期重爆撃期 — マグマオーシャンから、傷だらけの表面へ

### 2-1. マグマオーシャン — 月全体が融けていた時代

ジャイアント・インパクト直後の月は、衝突のエネルギーによって表面から深部まで広範囲が融けた、灼熱の状態にあったと考えられている。この状態を**マグマオーシャン(月マグマオーシャン、水準四: 天体の表面から深い場所まで、広い範囲が融けた岩石(マグマ)で覆われていた、天体形成初期に特有の状態)**と呼ぶ。

マグマオーシャンが冷えて固まっていく過程は、単に温度が下がるだけの単純な現象ではない。融けた岩石の中には、比重(密度)の異なる様々な鉱物成分が溶け込んでいる。マグマオーシャンが冷えていくと、比重の大きい鉱物(鉄やマグネシウムを多く含む、かんらん石や輝石)は先に結晶化して沈んでいき、逆に比重の小さい鉱物(アルミニウムやカルシウムを多く含む、斜長石)は結晶化した後も浮き上がっていく。この密度差による「沈むものと浮くもの」の選り分けを**分化(ぶんか、水準三: 天体内部の物質が、密度や化学組成の違いによって層状に分かれていく現象)**と呼ぶ。

この分化の結果、月の表面には斜長石を多く含む軽い岩石が浮き上がって固まり、明るい色の**高地(こうち、水準三: 月面のうち、明るく見える、古く傷だらけの地形)**を形成した。一方、沈んでいった重い鉱物の一部は、後の時代に部分的に再び融けてマグマとして噴出し、次章で扱う「海(マリア)」という、暗く見える地形をつくることになる。月面を見上げたときの「明るい部分」と「暗い部分」というもっとも基本的なコントラストは、このマグマオーシャンの分化という、誕生してまもない時期の出来事の名残なのである。

### 2-2. クレーターを数える — 年代を推定するもう一つの手法

月の高地を望遠鏡や探査機の画像で見ると、無数のクレーター(衝突でできた円形のくぼみ)で覆われていることに気づく。このクレーターの密度(単位面積あたりの数)は、実は天体の表面年代を推定するための、もう一つの重要な観測手法として使われている。

その考え方はこうである。ある地形の表面が新しくできたばかりであれば、そこに衝突してできたクレーターの数はまだ少ない。時間が経てば経つほど、隕石や小天体の衝突が積み重なり、クレーターの数は増えていく。したがって、**同じような大きさの天体表面であれば、クレーターの密度が高い地形ほど古く、密度が低い地形ほど新しい**、という相対的な年代の順序をつけることができる。これを**クレーター年代学(クレーターねんだいがく、水準四: 天体表面のクレーター密度から、その地形の相対的な古さを推定する手法)**と呼ぶ。

ただし、クレーター年代学だけでは「その地形がどれくらい昔にできたか」という絶対的な年代(西暦何年前、という具体的な数字)までは分からない。そこで威力を発揮するのが、前章で説明した放射年代測定である。アポロ計画では、様々なクレーター密度を持つ地域から岩石試料を持ち帰っており、「この試料をとった場所のクレーター密度は、放射年代測定で測ったこの年代に対応する」という**較正(こうせい、水準四: ある測定尺度を、別の確実な基準に照らし合わせて目盛りを定めること)**の作業を行うことができた。この較正によって、クレーター密度から絶対年代を推定する「月のクレーター年代学」という物差しが確立し、さらにこの物差しは、試料を持ち帰ることができない他の天体(水星や火星など)の表面年代を推定する際にも、応用して使われている。

### 2-3. 後期重爆撃期 — 「隕石の雨」があった時代、という仮説

月の高地の岩石を放射年代測定すると、多くの衝突起源の岩石(衝突の熱で融けて再結晶した「衝突角礫岩」など)の年代が、**およそ41億年前から38億年前**という、比較的狭い範囲に集中して分布していることが分かった。この観測結果から提唱されたのが、**後期重爆撃期(こうきじゅうばくげきき、Late Heavy Bombardment、水準五: 太陽系形成から数億年後にあたるこの時期に、月をはじめとする内側の天体に、通常より著しく多い隕石・小天体の衝突が集中して起きたとする仮説)**、あるいは「月のカタクリズム(激変)」と呼ばれる考え方である。

もしこの仮説が正しいなら、太陽系の歴史の中で、木星や土星といった巨大惑星の軌道が変化したことをきっかけに、小惑星帯や、あるいはさらに外側の氷天体の領域から、大量の小天体が弾き飛ばされ、内側の惑星や衛星に降り注いだ時期があったことになる。

しかし、ここで正直に述べておかなければならない重要な点がある。この後期重爆撃期という考え方は、天文学者・惑星科学者の間で完全に決着がついた確立事実ではなく、**現在も議論が続いている仮説**である。反対意見の柱は主に2つある。第一に、アポロ計画で試料を採取した地点の多くが、月面でもとりわけ大きな衝突盆地である「アポロ盆地」や「インブリウム盆地」に近い場所に偏っていたため、「41億年前から38億年前に年代が集中している」ように見えるのは、実際に隕石の雨が集中した時期があったからではなく、単に「たまたま同じ一つの巨大衝突(あるいはごく少数の巨大衝突)の影響を強く受けた試料ばかりを、アポロが持ち帰ってしまった」というサンプリングの偏りにすぎないのではないか、という指摘である。第二に、仮に隕石の衝突頻度が上昇した時期が実在したとしても、それが「一時的に急上昇した鋭いスパイク」だったのか、それとも「太陽系形成直後から続く衝突頻度の低下が、たまたまこの時期にまだ比較的高かっただけの、なだらかな尾の部分」だったのかという、変化の形そのものについても意見が分かれている。

つまり「月の高地には、およそ41億年前から38億年前に集中する衝突年代の岩石が多く見つかる」という観測事実そのものは確かだが、それが「太陽系全体を巻き込んだ、際立った隕石の集中豪雨があった証拠」なのか、「たまたま偏った場所から試料を取っただけの見かけ上の集中」なのかについては、今も研究者の間で意見が分かれている、という点を正直に明記しておきたい。

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## 休憩所②: まとめ箱 — 第二章のポイント

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マグマオーシャン(月全体が融けた状態)が冷える過程で分化が起こる

→ 軽い斜長石が浮いて明るい高地に、重い鉱物は沈む

クレーター年代学 = クレーター密度から地形の相対的な古さを推定する手法

放射年代測定による較正と組み合わせ、絶対年代の物差しとして確立

→ 試料を持ち帰れない他の天体(水星・火星等)にも応用される観測手法

後期重爆撃期(仮説) = 41億〜38億年前に隕石衝突が集中したとする考え方

未確定点: アポロ試料の採取地点の偏り(インブリウム盆地等への集中)による

見かけ上の年代集中である可能性が指摘されており、決着していない

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## 第三章: 海(マリア)の形成 — 玄武岩質溶岩が描いた「ウサギの模様」

### 3-1. 「海」という名前の由来と正体

肉眼で月を見上げると、明るい部分の中に、暗く見える模様が広がっているのに気づく。日本では「ウサギが餅をつく姿」として親しまれてきたこの暗い部分を、天文学では**海(うみ、ラテン語由来でマリアとも呼ぶ、水準三: 月面のうち、暗く見える、比較的滑らかで若い地形。実際の水の海ではない)**と呼ぶ。17世紀の天文学者たちが望遠鏡でこの地形を観測した際、地球の海のように見えたためにこの名前がつけられたが、後の観測で、月には液体の水でできた海が存在しないことが判明している。名前だけが今も残っている、歴史的な誤解の産物である。

海の正体は、**玄武岩(げんぶがん、水準三: 鉄やマグネシウムを多く含む、黒っぽい色の火山岩)**でできた、広大な溶岩平原である。前章で見たマグマオーシャンの分化が一段落した後も、月の内部(マントル)には、部分的に融けた玄武岩質のマグマが残っていた。このマグマが、大きな衝突盆地の底など、地殻が薄く弱くなった場所を通って地表に噴き出し、広い範囲を覆うように流れ広がって固まったものが、現在私たちが「海」として見ている地形である。玄武岩は鉄分を多く含むため黒っぽく見え、これが高地の明るい斜長岩質の岩石との、はっきりした色のコントラストを生んでいる。

### 3-2. 海の年代と、噴出のタイミング

アポロ計画・ソ連のルナ計画によって持ち帰られた海の玄武岩試料を放射年代測定すると、多くの試料の年代は**およそ39億年前から31億年前**の範囲に集中していることが分かった。これは、前章で見た後期重爆撃期(またはその名残の時期)の後、月の内部にまだ十分な熱と融けたマグマが残っていた時代に、大規模な火山活動が起きていたことを示している。

ここでも観測手法としてクレーター年代学が活躍する。試料を持ち帰った地点以外の海についても、クレーター密度を調べることで相対的な年代を推定できる。その結果、一部の海(たとえば「嵐の大洋」と呼ばれる領域の一部)では、クレーター密度から推定される年代が、試料採取地点よりもさらに新しく、**もしかすると10億年前、あるいはそれよりも新しい時期まで、部分的な火山活動が続いていた可能性がある**とする研究報告も存在する。ただし、この「非常に新しい火山活動」という推定は、直接持ち帰った試料の年代測定によって裏付けられたものではなく、あくまでクレーター年代学という間接的な手法に基づく推定であるため、確定した事実というよりは、なお検証が続いている仮説的な結論である点を明記しておく必要がある。

### 3-3. なぜ海は「表側」に偏っているのか — 重力測定という手法

月を眺めていると、私たちが普段目にする面(地球にいつも向いている側、次章で扱う潮汐固定によって決まっている面)には広い海が目立つのに対し、地球から見えない裏側にはほとんど海が存在しないという、はっきりした非対称性に気づく。この「表と裏の非対称性」は、長らく惑星科学の謎の一つだった。

この謎に迫る手がかりをもたらしたのが、月を周回する探査機を使った**重力測定(じゅうりょくそくてい、水準五: 探査機の軌道のわずかなブレを精密に追跡することで、天体内部の質量分布(密度の偏り)を間接的に推定する観測手法)**である。探査機は、真下にある地殻やマントルの密度が高い(質量が集中している)場所の上空を通過するとき、重力がわずかに強くなるためにほんの少し加速し、逆に密度が低い場所の上空ではわずかに減速する。この極めて小さな速度変化を、地球から送る電波のドップラー効果(→BOOK-0101宇宙論第1巻で扱った赤方偏移と同じ、波の周波数のずれを利用する原理)を使って精密に追跡すると、天体表面を直接見ることなく、その内部の密度分布を地図として描き出すことができる。

2011年から2012年にかけて運用された、月を周回する2機一組の探査機による重力マッピング計画(グレイル計画)などによる観測から、**月の地殻の厚さは、表側よりも裏側の方が明らかに厚い**ことが判明した。地殻が厚いということは、内部の熱いマグマが表面まで突き抜けて噴出しにくいということを意味する。つまり、表側の地殻が裏側より薄かったために、内部のマグマが噴出しやすく、結果として広い海が形成された、という説明が有力視されている。なぜ表側と裏側で地殻の厚さがそもそも異なるのか(月がまだ熱かった時代の、地球からの潮汐加熱の非対称性が原因とする説や、別の巨大天体が裏側に衝突して地殻を厚くしたとする説など)については、なお複数の仮説が競合しており、決着した結論ではないことを付け加えておく。

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## 休憩所③: まとめ箱 — 第三章のポイント

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海(マリア) = 玄武岩質の溶岩が固まった、暗く見える平原(実際の水の海ではない)

高地(明るい・古い斜長岩質)とのコントラストが月面の基本的な見た目を作る

海の年代: 試料測定でおよそ39億〜31億年前。

クレーター年代学からは、一部でより新しい火山活動の可能性も指摘されるが

試料による直接裏付けがなく仮説的(未確定)

表側に海が偏る理由: 探査機の軌道追跡による重力測定(ドップラー効果を利用)で

表側の地殻が裏側より薄いことが判明→マグマが噴出しやすかったと考えられる

ただし地殻の厚さの非対称性そのものの原因は複数の仮説が競合し未確定

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## 第四章: 月震学が明かす内部構造 — 「揺れ」を聴いて内部を透視する

### 4-1. 地震波で「見えないもの」を読む、という発想

月の内部(表面よりずっと深い場所にある、マントルや核)は、当然ながら直接目で見ることも、試料を持ち帰ることもできない(月の探査機や有人ミッションが到達できたのは、あくまで表面付近だけである)。それでも天文学者・惑星科学者は、月の内部が層状にどのような構造になっているかを、かなり具体的に推定できている。それを可能にしているのが、**月震学(げっしんがく、水準四: 月で発生する揺れ(月震)が伝わる速さや経路を分析することで、月の内部構造を推定する学問)**である。

この手法の基本的な考え方は、地球の地震学とまったく同じである。物質の密度や状態(固体か液体か)が変わる境界を、揺れの波(地震波)が通過するとき、波の速さや進む方向がわずかに変化する。この変化のパターンを、複数の観測地点で記録された波形から逆算することで、直接見ることのできない内部の層構造を「透視」することができる。これは、光を波長ごとに分解して天体の組成を知る分光観測(→BOOK-0019望遠鏡と天文観測第1冊)とよく似た発想であり、「直接見えないものを、波の性質の変化という間接的な手がかりから読み解く」という点で、天文学・惑星科学に共通する観測の哲学だと言える。

### 4-2. アポロ計画が置いてきた「聴診器」

月震を記録するための装置は、**アポロ月面地震計(アポロ・パッシブ・サイズミック・エクスペリメント、水準四: アポロ12号・14号・15号・16号の宇宙飛行士が月面に設置した、月の揺れを記録する観測装置一式)**として、1969年から1972年にかけて、月面の4か所に設置された。これらの地震計は、宇宙飛行士たちが地球に帰還した後も月面に残され、1977年まで、実に8年近くにわたって月の揺れを記録し続けた。

この地震計が記録した月震には、いくつかの種類があることが分かっている。隕石の衝突によって生じる衝突起源の月震、月の表面が昼と夜で極端な温度差(月面は大気がないため、昼は100度以上、夜は氷点下150度以下にもなる)にさらされることで岩石が伸び縮みして起きる熱起源の月震、そして、地球の重力が月に及ぼす**潮汐力(ちょうせきりょく、水準三: 天体の互いの重力によって生じる、引き伸ばすように働く力)**の変化によって、月の内部にひずみが蓄積して発生する、比較的深い場所で起きる月震などである。特に地球の潮汐力による深発月震は、月の公転周期に合わせて周期的に発生することが観測されており、原因と結果の対応関係が非常にはっきりしている点で、貴重な研究材料になっている。

### 4-3. 「聴診」の結果分かった月の内部構造

アポロの地震計が集めた膨大なデータは、探査機の運用終了からしばらく経った後も、より進んだ解析手法によって繰り返し再分析されている。2011年に発表された、地震波の記録を再解析した研究(米国地球物理学連合の学術誌『サイエンス』に掲載)では、それまで存在が疑われつつも確証を得られていなかった、月の中心にある核の構造について、かなり具体的な描像が示された。

その結果によれば、月の中心には**半径およそ240キロメートルの、固体の内核**があり、その周りを**厚さおよそ90キロメートルの、液体の外核**が取り巻き、さらにその外側には**厚さおよそ150キロメートルの、部分的に融けた層(部分融解層)**が存在するとされる。核の主成分はおもに鉄であり、内核と外核の大きさの比率から、月の核全体はおよそ体積の6割ほどが液体の状態にあると推定されている。

この構造は、月がまだ完全には冷え切っておらず、中心部にはいまも高温で融けた部分が残っていることを意味している。ただし、この核の大きさや厚さの推定値は、地震波の記録という限られたデータから間接的に導き出されたモデルであり、地球の内部構造ほど高い精度で確定しているわけではない。今後、月面によりセンサー(地震計)の数を増やして観測網を充実させることができれば、この推定値がさらに精密になっていくと期待されている。

### 4-4. 数値で見る月 — 脱出速度の計算

月の内部構造の話に関連して、月の重力の強さを表す代表的な数値を計算で確認しておこう。天体の重力を振り切って宇宙空間へ飛び出すために必要な最小の速度を、**脱出速度(だっしゅつそくど、水準三: ある天体の重力を振り切るために必要な、最小の初速度)**と呼び、次の式で計算できる。

```

脱出速度 v = √(2GM / R)

G = 万有引力定数 ≈ 6.674×10⁻¹¹ N・m²/kg²

M = 天体の質量

R = 天体の半径

```

月の質量はおよそ7.342×10²²kg、半径はおよそ1737.4km(=1.7374×10⁶m)である。これを代入すると、

```

2GM = 2 × 6.674×10⁻¹¹ × 7.342×10²² ≈ 9.80×10¹²

2GM ÷ R = 9.80×10¹² ÷ 1.7374×10⁶ ≈ 5.64×10⁶

v = √(5.64×10⁶) ≈ 2375 m/秒 ≈ 秒速2.4km

```

月の脱出速度はおよそ**秒速2.4キロメートル**という計算結果になる。これは、地球の脱出速度(秒速およそ11.2km)の5分の1程度しかない、かなり小さな値である。この重力の弱さこそが、月がほとんど大気を持てない(気体分子が熱運動だけで簡単に脱出速度を超えてしまい、宇宙空間に逃げていってしまう)理由であり、また、月の内部の熱が長い時間をかけて宇宙空間に逃げていきやすい(=天体が冷えやすい)理由の一つにもなっている。この脱出速度という考え方は、次の部で扱う火星の大気散逸の話にも直接つながっていく重要な物差しである。

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## 休憩所④: まとめ箱 — 第四章のポイント

```

月震学 = 月の揺れ(月震)の伝わり方から内部構造を推定する学問

地震波の速度変化から「見えない内部」を透視する、分光観測と同系統の発想

アポロ月面地震計(4地点・1969〜1977年運用)が記録した月震の種類:

衝突起源・熱起源(昼夜の温度差)・潮汐起源(深発月震、公転周期と同期)

2011年の再解析結果: 固体内核(半径≈240km)+液体外核(厚さ≈90km)

+部分融解層(厚さ≈150km)、核はおよそ6割が液体・主成分は鉄

検算: 月の脱出速度 v=√(2GM/R) ≈ 秒速2.4km(地球の約1/5)

→ 月が大気をほとんど持てない理由、内部が冷えやすい理由につながる

```

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## 第五章: 現在の月 — 静穏な地質活動と潮汐固定

### 5-1. 「死んだ天体」なのか、という問い

海の形成が一段落したおよそ10億年前以降、月は大規模な火山活動をほとんど起こさなくなり、地質学的には非常に静かな天体になったというのが、長らくの標準的な理解だった。実際、月には地球のようなプレートテクトニクスも、活発な火山も見られない。

ただし、ここで一つ、正直に付け加えておきたい研究上の進展がある。月を周回する探査機(ルナー・リコネサンス・オービター、月を詳細に撮影している探査機)による高解像度の撮影によって、月面には「リンクル・リッジ」や「フォールト・スカープ」と呼ばれる、非常に小さな崖状の地形が多数見つかっている。これらの地形の中には、クレーター年代学による推定で、**わずか数千万年から1億年前後という、月の歴史全体からすればごく最近にできたとみられるものが含まれる**という研究報告があり、月が完全に地質学的な活動を終えた「死んだ天体」であると断定することはできない、という見方も一部で示されている。ただし、これらの新しい地形が、月の内部にまだ残るわずかな熱による収縮活動なのか、それとも地球の潮汐力による応力の蓄積なのか、原因についてはまだ議論があり、確定した結論ではないことを明記しておく。

### 5-2. 潮汐固定 — なぜ月はいつも同じ顔を見せるのか

月を毎晩観察しても、模様の並びはいつも同じである。これは、月の自転周期と公転周期がほぼ完全に一致しているためであり、この状態を**潮汐固定(ちょうせきこてい、自転と公転の同期、水準三: 天体の自転周期と、その天体が別の天体の周りを回る公転周期が一致し、常に同じ面を相手に向け続けるようになる現象)**と呼ぶ。

この現象がなぜ起こるのかは、潮汐力の働き方から理解できる。地球の重力は、月の地球に近い側と遠い側とで、わずかに強さが異なる(近い側ほど強く引かれる)。この差によって、月の形はわずかに、地球の方向にひきのばされた、ラグビーボールのようなかすかな楕円形に歪む。もし月の自転速度が公転速度と異なっていた場合、このわずかに歪んだ「出っ張り」の向きが、月が自転するにつれて地球から見た方向とずれ続けることになる。しかし、月の内部の岩石はわずかながら摩擦(内部摩擦)を持っているため、この出っ張りの向きが地球の方向からずれようとするたびに、地球の重力がこの出っ張りを引き戻すようにブレーキをかけ続ける。この重力ブレーキが何億年もかけて働き続けた結果、最終的に月の自転周期は公転周期にぴったり一致するところまで減速し、以後は出っ張りが常に地球の方向を向いたまま安定する。これが潮汐固定の仕組みである。

### 5-3. 検算 — 月の公転周期を求めてみる

月の公転周期(地球の周りを1周するのにかかる時間)は、ケプラーの法則を一般化した、次の公式を使って計算で確かめることができる。これは、太陽の周りを回る惑星についての単純なケプラーの第三法則(→BOOK-0101宇宙論第1巻でも触れた考え方)を、地球と月のような2天体の関係に一般化した式である。

```

T = 2π × √(a³ / (G(M+m)))

a = 軌道の長半径(ここでは地球と月の平均距離)

M = 地球の質量、m = 月の質量

G = 万有引力定数

```

地球と月の平均距離はおよそ384,400km(=3.844×10⁸m)、地球の質量はおよそ5.972×10²⁴kg、月の質量はおよそ7.342×10²²kgである。これらを代入すると、

```

a³ = (3.844×10⁸)³ ≈ 5.68×10²⁵ m³

G(M+m) = 6.674×10⁻¹¹ × (5.972×10²⁴ + 7.342×10²²) ≈ 6.674×10⁻¹¹ × 6.046×10²⁴ ≈ 4.035×10¹⁴

a³ ÷ G(M+m) ≈ 5.68×10²⁵ ÷ 4.035×10¹⁴ ≈ 1.407×10¹¹

√(1.407×10¹¹) ≈ 3.751×10⁵ 秒

T = 2π × 3.751×10⁵ ≈ 2.357×10⁶ 秒

```

これを日数に直すと、2.357×10⁶秒 ÷ 86,400秒/日 ≈ **27.3日**となる。これは、実際に観測されている月の公転周期(恒星を基準にした公転周期である恒星月で、およそ27.32日)と、非常によく一致する検算結果である。なお、私たちが日常的に感じる「新月から次の新月まで」の周期(朔望月、さくぼうづき)は約29.5日であり、これは地球自身も太陽の周りを公転しているために生じるずれによるもので、ここで計算した恒星月とは別の数値であることに注意が必要である。

### 5-4. 月は少しずつ遠ざかっている — レーザー測距という観測手法

潮汐固定の話には、もう一つ興味深い続きがある。月が地球からの潮汐力を受けて自転を減速させられているのと引き換えに、その反作用として、月は少しずつ地球から遠ざかりつつある。この遠ざかる速さは、**アポロ計画で宇宙飛行士たちが月面に設置した反射鏡(レーザー反射器、水準四: 送られてきたレーザー光を、来た方向にそのまま正確に跳ね返す特殊な鏡)**を利用した**月レーザー測距(げつレーザーそっきょ、水準五: 地球から発射したレーザー光を月面の反射鏡で反射させ、往復にかかった時間から地球と月の距離をミリメートル単位の精度で測定する観測手法)**によって、非常に高い精度で測定されている。

この観測によれば、月は現在、**1年あたりおよそ3.8センチメートルの速さで地球から遠ざかっている**ことが分かっている。ここで一つ、検算を兼ねた興味深い注意点を確認しておきたい。もしこの3.8cm/年という速さが、月ができてから現在までずっと一定だったと仮定して、単純に過去にさかのぼる計算をしてみるとどうなるだろうか。

```

3.8cm/年 × 45億年(4.5×10⁹年) = 3.8 × 4.5×10⁹ cm ≈ 1.71×10¹⁰ cm = 1.71×10⁵ km(17万1千km)

```

この単純な掛け算は、「45億年前には、月と地球の距離は現在よりも17万1千kmほど近かった」という意味にはならない。なぜなら、現在の地球と月の平均距離(38万4400km)から17万1千kmを引いても21万3千kmほどが残ってしまい、これは「太古の月が地球のすぐそばにあった」というよくある俗説の答えにはならないからである。実際にこの単純な引き算をして「大昔の月と地球の距離」を求めようとすると、明らかに無理のある値になることが、この検算からも見て取れる。

この検算が教えてくれる本当に大事な点は、**「遠ざかる速さ(3.8cm/年)は、地質学的な時間スケールを通じてずっと一定だったわけではない」**ということである。潮汐によるブレーキの効き方は、地球の大陸配置や海洋の形(潮汐エネルギーがどれだけ海底の摩擦で失われるかに影響する)によって大きく変わることが分かっており、大陸配置が現在とはまるで違っていた数億年〜数十億年前の潮汐の効き方は、現在とは異なっていたと考えられている。実際に月がどれだけ地球に近かったかという過去の距離の推定は、単純な現在の速度の外挿ではなく、地質学的な記録(たとえば、潮の満ち引きの跡が残った古い地層の縞模様を数える研究など)を組み合わせた、より精密な手法によって進められている研究テーマである。「単純な外挿計算が通用しない」ということ自体が、この分野で覚えておくべき重要な教訓だと言える。

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## 休憩所⑤: まとめ箱 — 第五章のポイント

```

月の現在の地質活動: 大規模火山活動はほぼ停止(ただしごく最近〔数千万〜1億年前後〕

にできた可能性がある小規模な崖地形の報告もあり、「完全に死んだ」と断定はできない)

潮汐固定 = 地球の潮汐力による重力ブレーキで、月の自転周期が公転周期と一致した状態

検算: 二体系のケプラー公式から月の公転周期を計算 → 約27.3日(観測値27.32日と良く一致)

月レーザー測距(アポロの反射鏡を利用)により、月は年3.8cmの速さで地球から後退中と判明

検算の教訓: 3.8cm/年を単純に45億年分掛けて過去の距離を求めるのは誤り

→ 潮汐の効き方は大陸配置等で変化してきたため、速度は歴史を通じて一定ではない

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# 第二部 火星 — 「乾いた赤い惑星」に残された、濡れていた記憶

## 第六章: 火星の形成と初期環境

### 6-1. 火星の基本データ — 「小さな隣人」の姿

火星(かせい、→BOOK-0024天文学第1冊で基礎を扱った、太陽系第4惑星)は、地球のすぐ外側の軌道を回る、地球型惑星(岩石質の惑星)の一つである。本章からの5つの章では、この火星という天体を、誕生から現在までたどっていく。

まず基本的な数値を確認しておこう。火星の質量はおよそ6.417×10²³kgで、地球の質量(5.972×10²⁴kg)のおよそ9分の1(約10.7%)しかない。半径はおよそ3389.5kmで、地球の半径(約6371km)のおよそ53%である。太陽からの平均距離(軌道長半径)はおよそ1.524天文単位(1天文単位=地球と太陽の平均距離、→BOOK-0024天文学第1冊で定義済み)であり、地球より外側を回っている。1日の長さ(自転周期)はおよそ24時間37分と、驚くほど地球に近い(火星の1日は「ソル」と呼ばれる)。火星には**フォボス**と**ダイモス**という2つの小さな衛星があり、いずれも直径数十キロメートル程度の、いびつな形をした小天体である。これらの衛星の起源については、小惑星帯からやってきた天体を火星の重力が捕らえたとする捕獲説が長らく有力視されてきたが、近年ではフォボスの軌道の特徴(ほぼ火星の赤道面上にある円軌道であること)から、月と同じような巨大衝突に由来するという説も提案されており、決着した結論ではないことを付け加えておく。

### 6-2. 微惑星集積と、驚くほど速かった成長

火星がどのように作られたかについても、月の場合と同じように、同位体を使った年代測定の手法(→第一章1-4で扱った放射年代測定の考え方)が重要な手がかりを与えてくれる。

2011年に発表された、ハフニウム-タングステン系列の同位体を用いた研究(『ネイチャー』誌掲載)によれば、火星は現在の質量のおよそ半分程度の大きさにまで、太陽系ができてからわずか**200万年ほど、あるいはそれより短い期間**で急成長したことを示す結果が得られている。これは、地球が現在の大きさに育つまでに数千万年から1億年以上かかった(そして最終段階でジャイアント・インパクトという大事件を経た)ことと比べると、驚くほど短い時間である。

この結果から示唆されているのが、**火星は「取り残された微惑星の胚(はい)」ではないか**、という考え方である。つまり火星は、地球や金星のように、多数の微惑星(びわくせい、水準三: 惑星になる前段階の、数十〜数百キロメートル程度の小さな天体)同士がその後も繰り返し衝突・合体を続けて、より大きな惑星へと成長していく過程を、途中で経験しなかった天体なのではないか、という見方である。地球や金星がその後も合体を重ねて大きく育っていったのに対し、火星は早い段階で周囲の材料を使い果たすか、あるいは他の胚と合体する機会がないまま、比較的小さいサイズで成長が止まってしまった、と考えられている。

### 6-3. なぜ火星は小さいまま成長が止まったのか

「なぜ火星は地球や金星のように大きく育たなかったのか」という問いに対しては、いくつかの仮説が提案されている。

一つの有力な考え方は、火星が形成された領域には、そもそも惑星の材料になる固体物質(微惑星)の量があまり多くなかった、というものである。もう一つの興味深い仮説は、太陽系が生まれてまもない時期に、巨大惑星である木星が現在とは異なる軌道を取り、一時的に太陽に近づいた後、土星との重力相互作用によって再び外側へ移動した、とする力学モデル(しばしば「グランド・タック仮説」と呼ばれる)である。この仮説によれば、木星が火星の材料となる領域を一時的にかき乱し、あるいは物質の一部を弾き飛ばしてしまったために、火星が育つための材料が不足した、と説明される。

ただし、ここで正直に述べておかなければならない点がある。木星がそのような大規模な軌道移動を実際に経験したかどうか、そしてそれが火星の小ささをどこまで説明できるかについては、複数の異なる力学モデル・シミュレーション研究が競合しており、天文学者・惑星科学者の間で完全に一致した結論が出ているわけではない。「火星が周囲の標準的な惑星形成モデルの予測よりもかなり小さい」という観測事実そのものは確かだが、その原因については、なお研究が続いている未確定なテーマである。

### 6-4. 分化と磁場の起源

火星も、月や地球と同じように、形成直後の熱によって内部が分化し、鉄を主成分とする金属核・岩石質のマントル・地殻という層構造を持つに至ったと考えられている。この分化のタイミングについても、同位体年代測定によって「火星の核形成は、太陽系形成後わずか数百万年から1000万年程度という、非常に早い段階で完了していた」と推定する研究結果が発表されている。

火星の核がまだ融けた金属で対流していた初期の時代には、地球の核と同じように、対流する導電性の流体が磁場を生み出す**ダイナモ作用(ダイナモさよう、水準四: 導電性の流体が対流・回転することで、自己励起的に磁場を作り出す仕組み)**によって、火星も全球的な磁場を持っていたと考えられている。この初期の磁場は、次章以降で見ていく火星の初期環境(大気の保持や、太陽風からの防御)にとって、重要な役割を果たしていたと考えられる。しかし、この磁場は火星の歴史の比較的早い段階(諸説あるが、およそ40億年前より前とされることが多い)で失われてしまったことが分かっている。この磁場消失の原因とその影響については、第九章で詳しく扱う。

### 6-5. 初期の火星は「暖かく湿っていた」のか — 「暗い若い太陽のパラドックス」

次章以降で詳しく見るように、火星の表面には、かつて液体の水が流れていたことを示す地形や鉱物の証拠が数多く残されている。ここで一つ、大きな謎を先取りして紹介しておきたい。

第十二章で詳しく扱うように、太陽のような主系列星(→BOOK-0093恒星進化第1巻で定義済み)は、年齢を重ねるにつれて少しずつ明るくなっていくという性質を持つことが、恒星進化の理論からわかっている。この理論に基づくと、火星が誕生してまもない今から38億年〜41億年ほど前の太陽は、現在よりもいくらか(見積もりによれば7割前後という値が示されることが多い)暗かったと推定される。太陽が今よりも暗く、しかも火星は地球よりも太陽から遠い軌道にあるにもかかわらず、なぜその時代の火星に、液体の水が安定して存在できるほどの温暖な環境がありえたのか、という問いは、**暗い若い太陽のパラドックス(くらいわかいたいようのパラドックス、水準六: 恒星進化の理論が予測する若い頃の太陽の暗さと、初期の火星や地球に液体の水が存在した証拠との間に見られる、一見矛盾するように見える食い違い)**と呼ばれ、地球科学・惑星科学における大きな未解決問題の一つになっている。

この矛盾を解消するための仮説はいくつか提案されている。たとえば、現在よりもずっと濃い二酸化炭素や水素などの温室効果ガスを含む大気が当時の火星を覆っており、弱い太陽光でも表面を温められる温室効果があった、とする説や、あるいは初期の火星の「温暖で湿った時代」は実際にはごく短期間・断続的なものであり(大規模な火山噴火や隕石衝突の直後にだけ一時的に温暖化した、など)、恒常的に温暖だったわけではなかった、とする説などである。しかし、いずれの説も、観測されている水の痕跡の量や種類のすべてを矛盾なく説明できているわけではなく、この「暗い若い太陽のパラドックス」は、火星科学における現在進行形の未解決問題として、今も研究が続けられていることを明記しておきたい。

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## 休憩所⑥: まとめ箱 — 第六章のポイント

```

火星の基本データ: 質量は地球の約1/9、半径は約53%、太陽から約1.524天文単位

衛星フォボス・ダイモス(起源は捕獲説が有力だが巨大衝突説も提案・未確定)

火星の形成: ハフニウム-タングステン同位体分析により、

太陽系形成後わずか200万年程度で現在の半分の大きさまで急成長(2011年研究)

→ 「取り残された微惑星の胚」説。小さいまま成長が止まった理由は複数仮説が競合(未確定)

初期に磁場を持っていた(核のダイナモ作用)が、後に失われた(→第九章で詳述)

「暗い若い太陽のパラドックス」: 恒星進化理論が予測する若い太陽の暗さと、

初期火星の温暖湿潤な証拠との食い違い。複数の仮説があるが未解決の研究課題

```

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## 第七章: 水が存在した証拠 — 地形が語るもの

### 7-1. 「今」から「昔」を読む、地形学という手法

火星表面に残された地形を読み解くことは、火星の水の歴史を知るための、もっとも基本的な観測手法の一つである。この手法の土台になっているのが、地質学の基本原則である**斉一説(せいいつせつ、水準四: 現在働いている自然のプロセス(侵食・堆積など)は、過去にも同じように働いていたはずだ、とする地質学の基本的な考え方)**である。地球上の乾燥地帯にある、水が流れてできた谷やデルタ地形と、火星表面に見られる地形とをよく見比べることで、「この地形はかつて水が流れてできたものだ」という推定を行うことができる。

火星表面の地形は、その特徴から大きく3つの時代区分に分けて理解されることが多い。もっとも古い時代を**ノアキアン紀(水準五: 火星の歴史区分のうち、およそ41億年前から37億年前ごろにあたる、もっとも古い時代)**、次を**ヘスペリアン紀(およそ37億年前から30億年前ごろ)**、もっとも新しい時代を**アマゾニアン紀(およそ30億年前から現在まで)**と呼ぶ。この時代区分そのものが、前の部で扱ったクレーター年代学(→第二章2-2)を火星に応用することで組み立てられている点は、観測手法の連続性という意味で興味深い。

### 7-2. 網目状の谷 — 降水・流水の証拠

火星の中でも特に古い時代(ノアキアン紀)の地形が多く残る南半球の高地には、枝分かれしながら網の目のように広がる谷の地形が数多く見られる。この**バレーネットワーク(網状谷、水準四: 支流が繰り返し合流しながら形成される、樹木の枝のような網目状の谷地形)**は、地球上で川が長期間にわたって降水や地下水の湧出を受けながら形成する谷の地形と、形の特徴が非常によく似ている。

この地形の存在は、ノアキアン紀の火星に、単発の大洪水ではなく、ある程度持続的な降水(雨や雪)、あるいは地下水の安定した供給があったことを示す、有力な証拠と考えられている。谷の密度や分岐のパターンを解析することで、当時どの程度の水の量が、どの程度の期間にわたって流れていたのかを推定する研究も行われている。

### 7-3. 巨大な洪水の跡 — アウトフローチャネル

これに対して、火星表面にはもう一種類の、まったく異なる成因を持つ水の地形も見られる。**アウトフローチャネル(流出チャネル、水準四: 一度に大量の水が突発的に流れ出したことで形成されたとみられる、幅数十〜数百キロメートルにも達する巨大な溝状の地形)**である。

この地形は、バレーネットワークのようになだらかな谷が枝分かれする形ではなく、まるで大洪水が地表を一気に削り取ったかのような、荒々しい流線形の地形(流線形の残丘、侵食された基盤岩の島状地形など)を特徴とする。このような地形を作るためには、地下に閉じ込められていた大量の水(あるいは氷)が、火山活動や隕石衝突などをきっかけに、突発的かつ短期間に地表へ噴出・流出する必要があったと考えられている。アウトフローチャネルの多くは、バレーネットワークよりも新しい時代(ヘスペリアン紀)に形成されたと推定されており、火星の水の歴史が「持続的な降水の時代」から「地下の氷・水が突発的に噴出する時代」へと変化していったことを示唆している。

### 7-4. 湖と三角州の跡 — ジェゼロ・クレーターの物語

火星表面には、かつて水をたたえた湖の跡と考えられる、円形あるいは盆地状の地形も数多く見つかっている。中でも、2021年にNASAの探査車パーサヴィアランスが着陸した**ジェゼロ・クレーター**は、この分野でもっとも詳しく調べられている場所の一つである。

ジェゼロ・クレーターの縁の一部には、川が湖に流れ込む場所に特徴的な、扇状に広がる地形(三角州、デルタ)がはっきりと残されている。パーサヴィアランスに搭載された地中探査レーダーによる観測は、この地形が本当に、かつて水をたたえた湖に川が流れ込んでできた三角州であったことを、地下の地層構造の観点からも裏付けている。地層が傾斜しながら重なる構造(前置層、ぜんちそう)は、水を通じて運ばれた堆積物が、水中で徐々に堆積していく際に特徴的にできる構造であり、この観測は「ジェゼロ・クレーターにはかつて安定した湖が存在した」という解釈を強く支持するものとなった。

パーサヴィアランスは2022年7月から11月にかけて、この古代の扇状地(アルビアンファンと呼ばれる領域)から、複数の堆積岩の試料を採取しており、これらの試料には、このミッションを通じて発見された中でもっとも高い濃度の有機物が含まれていたことが報告されている。この点については、次の部(第十一章)でさらに詳しく扱う。

### 7-5. 「今の乾いた火星」と「かつての水」というギャップ

ここまで見てきたように、火星表面には、かつて液体の水が地表を流れ、湖をたたえていたことを示す地形的な証拠が数多く残されている。しかし、現在の火星表面には、液体の水はほとんど存在しない(表面気圧・気温の条件では、液体の水はすぐに蒸発するか凍結してしまう)。

このギャップこそが、火星科学における最大の謎の一つであり、本書の後半(第九章)で扱う大気散逸というテーマに直接つながっていく。「なぜ、かつて水にあふれていたはずの火星が、今のような乾いた惑星になってしまったのか」という問いに答えるためには、地形の証拠だけでなく、火星の大気そのものがどのように失われていったのかを理解する必要がある。次章では、地形の証拠と並ぶもう一つの重要な観測手法である、鉱物の分光観測について見ていこう。

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## 休憩所⑦: まとめ箱 — 第七章のポイント

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地形学の手法 = 斉一説(現在のプロセスは過去にも働いていた)に基づき、

地球の乾燥地帯の地形と比較して火星の地形の成因を推定する

火星の時代区分: ノアキアン紀(約41億〜37億年前)→ヘスペリアン紀(約37億〜30億年前)

→アマゾニアン紀(約30億年前〜現在)。クレーター年代学の応用で組み立てられている

バレーネットワーク(網状谷) = 持続的な降水・地下水の証拠(主にノアキアン紀)

アウトフローチャネル(巨大溝) = 突発的な大量の水の流出の証拠(主にヘスペリアン紀)

ジェゼロ・クレーター = 三角州地形+地中レーダーで湖の存在を確認(パーサヴィアランス着陸地点)

2022年7〜11月に扇状地から試料採取、最高濃度の有機物を検出(詳細は第十一章)

謎: かつて水にあふれた火星が、なぜ現在は乾いた惑星になったのか→大気散逸(第九章)

```

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## 第八章: 鉱物学的証拠と分光観測 — 粘土鉱物という「濡れていた記憶」

### 8-1. 分光観測を、地球以外の天体表面に応用する

→BOOK-0019(望遠鏡と天文観測第1冊)で見たように、光をプリズムなどで波長ごとに分解する分光観測は、天体の組成を知るための強力な手法である。この手法は、恒星のスペクトル線を調べて元素組成を知る用途だけでなく、太陽系内の惑星表面の反射光を分析して、そこにどんな鉱物が存在するかを推定する用途にも応用されている。

太陽系内の天体を対象にした分光観測は、地球上の望遠鏡から行うこともできるが、より高い解像度と精度を得るためには、天体のすぐ近くを飛ぶ探査機に分光計(ぶんこうけい、水準三: 光を波長ごとに分けて記録する観測装置)を搭載し、上空から表面を細かくマッピングする方法が有効である。この「探査機に載せた分光計で、天体表面の組成地図を作る」という手法は、望遠鏡による分光観測の考え方を、より近距離・高解像度に発展させたものだと言える。

### 8-2. OMEGA分光計の発見 — 「濡れていた鉱物」の証拠

2005年、欧州宇宙機関(ESA)の火星探査機「マーズ・エクスプレス」に搭載された**OMEGA分光計(オメガぶんこうけい、水準五: 可視光から近赤外線にかけての波長を観測する、マーズ・エクスプレス搭載の分光観測装置)**による観測データの解析から、火星表面の複数の(ただし限られた)地域に、**含水鉱物(がんすいこうぶつ、水準四: 結晶構造の中に水分子やOH基を取り込んでいる鉱物)**が広く分布していることが報告された。

この含水鉱物の中でもとりわけ重要なのが、**フィロケイ酸塩(粘土鉱物、水準四: ケイ酸塩が薄い層状の構造を持つ鉱物のグループ。地球では粘土の主成分としてよく知られる)**である。粘土鉱物は、もともと火成岩(マグマが冷えてできた岩石)を作っていた鉱物が、長期間にわたって液体の水と接触し続けることで、化学的に変質してできる。つまり粘土鉱物が存在するということは、「その場所には、岩石の結晶構造を作り変えてしまうほど長期間、液体の水が存在し続けた」という、非常に強い証拠になる。この発見は、火星にかつて大量の水が長期間存在していたことを示す、地形の証拠とは独立した、化学的な裏付けとなった。

### 8-3. 硫酸塩鉱物とヘマタイトの「ブルーベリー」

粘土鉱物とは別に、火星表面のより新しい時代の地層からは、**硫酸塩鉱物(りゅうさんえんこうぶつ、水準四: 硫酸イオンを含む鉱物のグループ)**も広く発見されている。硫酸塩鉱物は、粘土鉱物とは異なる化学的な環境(より酸性が強く、水の量も限られた環境)で形成されると考えられており、粘土鉱物が多い古い時代(ノアキアン紀)から、硫酸塩鉱物が目立つやや新しい時代(ヘスペリアン紀)にかけて、火星表面の水環境が、中性に近い環境から、より酸性が強く乾燥した環境へと変化していったことを示す手がかりとされている。

2004年に着陸したNASAの探査車オポチュニティは、着陸地点であるメリディアニ平原で、直径数ミリメートルほどの、球状をした灰色の粒(その見た目から「ブルーベリー」という愛称で呼ばれた)を大量に発見した。この粒の正体は、鉄の酸化鉱物である**ヘマタイト(赤鉄鉱)**であることが分光観測とその場での分析によって確認された。この種の球状のヘマタイトは、地球上では地下水が岩石の隙間を満たした環境でゆっくり結晶が成長することでできることが知られており、この発見もまた、火星のこの地域にかつて地下水が存在したことを示す、鉱物学的な証拠の一つとなった。

### 8-4. その場観測という手法 — 探査車に載せたX線回折装置

分光観測が「離れた場所から光を分析する」手法であるのに対し、探査車が実際に現地に降り立ち、岩石を砕いてその場で分析する**その場観測(その場かんそく、in-situ観測、水準四: 探査機・探査車が対象のすぐそば、あるいは対象そのものに接触して行う観測)**という手法もある。

2012年に着陸したNASAの探査車キュリオシティには、**CheMin(ケミン)**と呼ばれる、X線回折(エックスせんかいせつ、水準五: X線を結晶に当てたときに生じる特有の干渉パターンから、結晶の構造(鉱物の種類)を特定する分析手法)を利用した装置が搭載されていた。キュリオシティは、着陸地点であるゲイル・クレーター内の「イエローナイフ・ベイ」と呼ばれる地点で採取した岩石粉末をCheMinで分析し、地球の湖底の泥が固まってできる岩石(泥岩)によく似た、スメクタイトと呼ばれる種類の粘土鉱物を、火星の地表で直接確認することに成功した(2013年発表)。

軌道上からの分光観測(OMEGAなど)が「広い範囲を大づかみに見る」手法であるのに対し、探査車によるその場観測は「限られた1地点を、極めて詳しく調べる」手法である。この2つの手法は互いに補い合う関係にあり、軌道上の分光観測で見つけた「怪しい場所」に狙いを定めて探査車を着陸させ、その場観測で確証を得る、という組み合わせが、近年の火星探査の基本戦略になっている。

### 8-5. 鉱物の種類が語る、環境変化の物語

ここまで見てきた鉱物学的証拠をまとめると、火星の水環境は次のような変遷をたどったと考えられている。もっとも古い時代(ノアキアン紀)には、比較的中性に近く、pHや塩分濃度も生命にとって過酷すぎない環境の水が存在し、粘土鉱物が形成された。時代が下るにつれて(ヘスペリアン紀)、火星の水環境はより酸性が強く、蒸発が進んで塩分濃度が高い、より過酷な環境へと変化し、硫酸塩鉱物やヘマタイトが形成されるようになった。そして現在(アマゾニアン紀)では、表面に液体の水はほとんど存在しない。

この「中性から酸性へ、そして乾燥へ」という環境変化のシナリオは、次章で扱う大気散逸というテーマと密接に関わっている。大気が徐々に失われ、温室効果が弱まって寒冷化が進むにつれて、火星の水環境も次第に厳しいものへと変化していった、という大きな流れの中に、これらの鉱物学的証拠は位置づけられる。

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## 休憩所⑧: まとめ箱 — 第八章のポイント

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分光観測(→BOOK-0019で扱った原理)を探査機に搭載し、天体表面の組成地図を作る手法

2005年: マーズ・エクスプレスのOMEGA分光計が含水鉱物(フィロケイ酸塩=粘土鉱物)を発見

→ 粘土鉱物の存在=長期間の液体の水との接触を示す強い証拠

2004年: オポチュニティがヘマタイトの球状粒(ブルーベリー)をメリディアニ平原で発見

→ 地下水環境の証拠

2013年: キュリオシティのCheMin(X線回折・その場観測)がゲイル・クレーターで

スメクタイト粘土鉱物を直接確認(軌道上の分光観測とその場観測は補完関係)

環境変化の物語: 中性(粘土鉱物・ノアキアン紀)→酸性・乾燥化(硫酸塩・ヘスペリアン紀)

→現在の乾燥(アマゾニアン紀)。次章の大気散逸というテーマに接続する

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## 第九章: 大気散逸のメカニズム — 磁場消失と太陽風

### 9-1. 現在の火星の大気 — 「薄いCO2の空気」

現在の火星の大気は、表面気圧がおよそ**6ヘクトパスカル**程度しかなく、これは地球の平均的な海面気圧(およそ1013ヘクトパスカル)のわずか0.6%程度にすぎない。組成は二酸化炭素(CO₂)がおよそ95%を占め、窒素が約2.8%、アルゴンが約2%と続く。この「薄くて二酸化炭素だらけ」という現在の大気の姿は、前の章まで見てきた「かつて水が豊富にあった温暖な火星」の姿とは、あまりにもかけ離れている。この落差を埋める鍵が、本章で扱う大気散逸というテーマである。

### 9-2. 磁場を失うということ — ダイナモの停止

第六章で見たように、火星は誕生初期には核のダイナモ作用によって全球的な磁場を持っていたと考えられている。ところが、火星の地殻に残された「化石磁気」(過去に磁場があった時代に、岩石が冷えて固まる際にその時の磁場の向きを記録した、いわば天然の記録装置)を調べると、現在の火星にはほとんど全球的な磁場が存在しないことが分かる。

火星がなぜ、いつごろダイナモ作用を停止し、磁場を失ったのかについては、確定的な結論は出ていないものの、有力な仮説として、火星の核が地球の核よりも小さく、内部の熱がより早く宇宙空間に逃げてしまったために、核内部の対流(ダイナモ作用の原動力)が比較的早い段階(諸説あるが、おおむね40億年前より前とされることが多い)で弱まり、停止してしまった、という考え方がある。地球のように大きな天体であれば、核の熱がゆっくりとしか失われないため、ダイナモ作用と、それによって生み出される磁場を、45億年以上経った現在まで維持できている。火星の「小ささ」が、ここでも運命を分ける重要な要因になったと考えられている。

### 9-3. なぜ磁場が大気を守るのか — 太陽風という脅威

では、なぜ磁場を失うと、大気が失われやすくなるのだろうか。ここで重要になるのが**太陽風(たいようふう、水準三: 太陽から絶えず吹き出している、荷電粒子(主に陽子と電子)の流れ)**という現象である(太陽風そのものの詳細は第十四章でも扱う)。

惑星が全球的な磁場を持っている場合、その磁場は惑星の周囲に**磁気圏(じきけん、水準四: 惑星の磁場が作り出す、太陽風などの荷電粒子の流れを迂回させる、目に見えない防御領域)**と呼ばれる保護領域を作り出す。地球がまさにこの状態にあり、地球の磁気圏は、太陽風の荷電粒子の大部分を大気の外側で受け止め、迂回させることで、大気そのものが太陽風によって直接はぎ取られることを防いでいる。

しかし、磁場を失った天体では、この防御壁が存在しない。太陽風の荷電粒子は大気の上層に直接到達し、大気中の原子や分子と衝突してこれをイオン化(電気を帯びた状態に変える)する。イオン化された大気の粒子は、太陽風が運んでくる磁場の影響を受けて加速され、宇宙空間へと運び去られてしまう。この一連の過程を、**太陽風による大気の剥ぎ取り(スパッタリングやイオンピックアップと呼ばれる、複数の物理過程を含む)**と呼ぶ。磁場を失った火星は、まさにこの状態に置かれ続けてきたと考えられている。

### 9-4. MAVEN探査機が測った「今この瞬間」の大気散逸

火星の大気散逸が実際にどれくらいの速さで起きているのかを直接測定することを目的として、NASAは2013年に**メイブン(MAVEN、火星大気・揮発性物質進化ミッションの頭文字を取った探査機の愛称)**という探査機を打ち上げ、2014年から火星の周回観測を続けている。

メイブンの観測(2015年に発表)によれば、現在の火星は、太陽風によって**毎秒およそ100グラム程度**のペースで大気の物質(イオン化された粒子)を宇宙空間へ失い続けていることが明らかになった。さらに重要なのは、この散逸のペースが常に一定ではないという発見である。太陽で大規模なフレア(次章以降で扱う、太陽表面の爆発的な現象)や、太陽風の勢いが増す「太陽嵐」が発生すると、火星からの大気散逸のペースは急増し、**毎秒2キログラムを超える**ペースにまで跳ね上がることが観測されている。

メイブンはさらに、大気が失われている場所を3つの領域(火星の後方に伸びる「尾」の領域、南北の極付近から噴き出す「極プルーム」と呼ばれる領域、そして火星を薄く取り巻く広がったガスの雲の領域)に分けて特定した。観測によれば、失われるイオンのおよそ75%が尾の領域から、およそ25%が極プルームの領域から、そしてごくわずかがガスの雲の領域から失われていることが分かっている。

この「現在進行形で測定された散逸の速さ」を、火星の45億年という歴史全体にわたって積算していくと(もちろん過去の太陽風の強さや、火星がまだ磁場を持っていた時期の影響なども考慮する必要があり、単純な現在の速度の掛け算だけでは正確な値は出せないが)、火星がかつて持っていたであろう、より濃い大気の大部分を説明できるだけの、十分に大きな物質の喪失量になりうると考えられている。この観測は、「火星の気候が、温暖湿潤な時代から現在の寒冷乾燥した状態へと移り変わった主要な原因は、太陽風による大気散逸である」とする説を支持する、直接的な証拠として高く評価されている。

### 9-5. 検算 — 火星の脱出速度

大気散逸の話に関連して、火星の重力の強さも、第四章で月について行ったのと同じ計算で確認しておこう。

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脱出速度 v = √(2GM / R)

火星の質量 M ≈ 6.417×10²³kg、半径 R ≈ 3.3895×10⁶m

2GM = 2 × 6.674×10⁻¹¹ × 6.417×10²³ ≈ 8.566×10¹³

2GM ÷ R = 8.566×10¹³ ÷ 3.3895×10⁶ ≈ 2.527×10⁷

v = √(2.527×10⁷) ≈ 5027 m/秒 ≈ 秒速5.03km

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火星の脱出速度はおよそ**秒速5.0キロメートル**であり、月(秒速2.4km)よりは大きいが、地球(秒速11.2km)よりはかなり小さい値である。この中途半端な重力の強さが、火星の運命にとって重要な意味を持つ。火星の重力は、酸素や窒素、二酸化炭素といった比較的重い気体分子を熱運動だけで直接宇宙に逃がしてしまうほど弱くはないが(この点は月とは違う)、いったん磁場を失って太陽風による剥ぎ取りにさらされると、イオン化された粒子を大気圏外まで押し出すには十分な強さの重力ではなかった、というのが現在の理解である。

### 9-6. まとめ — 複数の要因が重なった「乾いた運命」

本章で見てきた大気散逸の物語をまとめると、火星が現在のような乾いた薄い大気の惑星になった背景には、単一の原因ではなく、複数の要因が重なっていたことが分かる。第一に、火星の核が小さく、内部の熱を早く失ったために磁場(ダイナモ作用)を維持できなかったこと。第二に、磁場を失ったことで、太陽風による大気の剥ぎ取りを防ぐ盾を失ったこと。第三に、火星の重力が、剥ぎ取られた大気を宇宙空間まで押し出すのを妨げるほどには強くなかったこと。この3つの要因が組み合わさった結果として、かつて温暖湿潤だった火星は、現在のような寒冷で乾燥した惑星へと姿を変えていった、というのが現在もっとも支持されている大筋のシナリオである。

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## 休憩所⑨: まとめ箱 — 第九章のポイント

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現在の火星大気: 表面気圧は地球の約0.6%(約6hPa)、組成はCO2約95%

磁場消失の原因: 核が小さく内部の熱が早く逃げ、ダイナモ作用が停止(諸説あるが40億年前より前)

磁場がないと大気を守れない理由: 磁気圏という防御壁がないため、

太陽風の荷電粒子が直接大気に到達し、イオン化した粒子が剥ぎ取られる

メイブン探査機(2014年〜観測)の実測: 現在の大気散逸は毎秒約100g、

太陽嵐時には毎秒2kg超に増加。尾の領域から約75%、極プルームから約25%が流出

検算: 火星の脱出速度 v=√(2GM/R) ≈ 秒速5.0km(月と地球の中間)

複合的な結論: 磁場消失+太陽風剥ぎ取り+中途半端な重力の強さ、が重なって

「かつて湿潤だった火星」が「現在の乾いた火星」になったと考えられる

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## 第十章: 内部を聴く — インサイトと火震学

### 10-1. 火星にも「聴診器」を — インサイト着陸機

第四章で見た月震学と同じ発想を、火星にも応用しようとする試みが、2018年11月に火星のエリシウム平原へ着陸した、NASAの**インサイト(InSight、内部探査・測地学・熱輸送を使った地震調査、を意味する名称の頭文字を取った探査機)**着陸機である。インサイトは、火星表面に地震計を設置し、月震学と同様の考え方で、火星内部の構造を「聴診」することを目的とした専用のミッションだった。

インサイトに搭載された**SEIS(サイス、内部構造調査のための地震実験装置)**と呼ばれる高精度の地震計は、着陸から運用終了(2022年末、太陽電池パネルへの砂ぼこりの蓄積により発電量が低下したことが理由とされる)までの間に、**1300回を超える火震(かしん、火星で発生する揺れ)**を検出したと報告されている。この数の多さは、火星が(月ほどではないにせよ)地質学的にまったく静かというわけではなく、内部にはいまも何らかの応力の変化や、ごくまれな隕石衝突による揺れが生じていることを示している。

### 10-2. 2つの火震が明かした核の構造

火星の中心にある核の大きさを直接推定する手がかりになったのは、2021年の8月と9月に、火星のほぼ反対側で発生した2つの火震だった。これらの火震が発生させた地震波の一部は、火星の核を通り抜けて反対側まで伝わり、その伝わり方(速度や、核の境界で反射・屈折する様子)を分析することで、研究者たちは核の大きさや状態を推定することができた。

2021年に発表された最初の解析結果では、火星の核の半径はおよそ1800〜1850kmと推定された。ところが、その後さらに詳しい解析(核を通り抜けた地震波を、より精密に再分析する研究)が進められた結果、2023年ごろに発表された研究では、**火星の核の半径はそれよりも小さい、およそ1650kmから1700km程度**であるとする、より精密な推定値が示されている。

この推定値の見直しは、それ自体が科学の営みらしい、興味深いエピソードでもある。より精密な解析が進んだ結果、当初の推定よりも核が小さいとわかっただけでなく、その分だけ**火星の核の平均密度は、純粋な液体の鉄だけでできていると仮定した場合よりも、かなり低い**ことも分かった。これは、火星の核には鉄だけでなく、硫黄などの、鉄より軽い元素がかなりの割合で溶け込んでいることを示唆していると考えられている。

### 10-3. 火星の核は「今も」液体である

インサイトの観測から得られたもう一つの重要な結論は、**火星の核は、月の核(→第四章、内核は固体・外核は液体という二層構造)とは異なり、現在もほぼ全体が液体の状態にある**とみられることである。これは、火星の核がまだ完全には冷え切っていないことを意味する一方で、前章で見たように、核内部での対流(ダイナモ作用)そのものはすでに停止し、全球的な磁場は失われている、という一見不思議な状態が、火星では両立していることになる。「核が液体であること」と「ダイナモ作用が働いて磁場を作っていること」は、必ずしも同じことを意味しない、という点は、注意しておきたい重要なポイントである。ダイナモ作用が働くためには、単に核が液体であるだけでなく、その液体が活発に対流している必要があり、火星の場合は核が液体のまま、対流だけが弱まって(あるいは停止して)しまった状態にあるのではないかと考えられている。

### 10-4. 地殻の厚さの推定

インサイトの観測は、核だけでなく、火星の地殻(表面付近の岩石の層)の厚さについても手がかりを与えている。着陸地点付近で発生した比較的近距離の火震の解析から、インサイト着陸地点付近の地殻の厚さは、およそ**20キロメートルから37キロメートル程度**であると推定されている。この値は、地球の大陸地殻の平均的な厚さ(30〜50km程度)と比べると、やや薄いか同程度の範囲にある。ただし、この推定値はインサイトが着陸した1地点のデータに基づくものであり、火星全体の地殻の厚さが場所によってどう変化するかについては、より多くの観測地点が必要な、今後の研究課題として残されている。

### 10-5. 月震学と火震学 — 共通する哲学、異なる結果

本章で見た火震学の手法は、第四章で見た月震学とまったく同じ観測の哲学(揺れの伝わり方から、直接見ることのできない内部構造を推定する)に基づいている。しかし、得られた結果は月と火星とで大きく異なっている。月の核は内核(固体)と外核(液体)に分かれた小さな核であるのに対し、火星の核はそれよりずっと大きく、しかも現在もほぼ全体が液体である。この違いは、天体の大きさ(冷え方の速さ)や、内部に含まれる軽元素の量など、それぞれの天体がたどってきた歴史の違いを反映していると考えられる。

同じ観測手法(地震学的な内部構造の推定)を、複数の異なる天体に応用し、その結果を比較することで、「なぜこの天体はこうなったのか」という、それぞれの天体に固有の物語がより鮮明に浮かび上がってくる。これは、本書全体を貫く「観測手法の読み方」というテーマの、良い実例だと言えるだろう。

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## 休憩所⑩: まとめ箱 — 第十章のポイント

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インサイト着陸機(2018年11月着陸、エリシウム平原) = 火星版の月震学を実施するミッション

SEIS地震計が運用終了(2022年末)までに1300回を超える火震を検出

2021年8-9月の2つの火震(核を通り抜けた地震波)から核構造を推定

初期推定(2021年): 核半径約1800〜1850km

再解析(2023年ごろ): 核半径約1650〜1700kmへ下方修正、密度は純粋液体鉄より低い

→ 硫黄等の軽元素が核に含まれることを示唆

火星の核は現在もほぼ全体が液体(月の内核=固体+外核=液体という構造とは異なる)

ただしダイナモ作用(対流)は停止済み=「液体であること」と「磁場を作ること」は別問題

地殻の厚さ推定: インサイト着陸地点付近でおよそ20〜37km(1地点のデータ、全球的な変化は今後の課題)

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## 第十一章: 現在の探査状況 — 探査機とローバーが明らかにしてきたこと

### 11-1. 火星探査の歩み — 年表で見る到達史

火星探査の歴史を年代順にたどると、火星についての理解が、探査機の技術進歩とともにどのように深まってきたかがよく分かる。

1965年、NASAの探査機**マリナー4号**が、火星への初めてのフライバイ(接近通過)観測に成功し、火星表面の最初の近接画像を地球に送ってきた。この時に撮影されたクレーターだらけの画像は、当時「火星には運河がある」「火星には文明があるかもしれない」といった、19世紀以来の想像を大きく後退させる結果となった。

1976年には、NASAの**バイキング1号・2号**が、それぞれ着陸機を火星表面に軟着陸させることに成功した。バイキング計画は、火星の土壌を採取して生命活動の兆候を調べる実験も行ったが、結果は決定的な証拠を示さず、その解釈をめぐって今も議論が続いている。

1997年には**マーズ・パスファインダー**が、小型の探査車「ソジャーナ」とともに着陸に成功し、比較的低コストな探査車ミッションという新しい方式を切り開いた。2004年には、双子の探査車**スピリット**と**オポチュニティ**が着陸し、第八章で見たヘマタイトの「ブルーベリー」をはじめとする、数々の水の証拠を発見した(オポチュニティは、着陸から実に14年以上にわたって稼働を続け、2018年の大規模な砂嵐で通信途絶するまで探査を継続した)。

2012年、より大型で高性能な探査車**キュリオシティ**がゲイル・クレーターに着陸し、第八章で見たCheMinによる粘土鉱物の直接確認など、その場観測による詳細な分析を可能にした。2018年には内部構造探査に特化した**インサイト**(前章参照)が着陸し、2021年には現行の主力探査車**パーサヴィアランス**と、火星初の動力飛行に成功した小型ヘリコプター**インジェニュイティ**が、ジェゼロ・クレーターに到着した。

この間、アメリカだけでなく、欧州宇宙機関(ESA)による周回機「マーズ・エクスプレス」(2003年、第八章で見たOMEGA分光計を搭載)や「エクソマーズ・トレース・ガス・オービター」(火星大気中の微量ガスを詳しく調べる周回機)、そして中国による探査機「天問一号」とその着陸機・探査車「祝融号」(2021年、中国にとって初めての火星着陸・探査車運用の成功)など、国際的な火星探査も着実に広がりを見せている。

### 11-2. パーサヴィアランスが見つけた有機物

第七章で見たジェゼロ・クレーターの三角州地形から、パーサヴィアランスが2022年に採取した堆積岩の試料には、このミッションを通じて発見された中でもっとも高い濃度の**有機物(ゆうきぶつ、水準三: 炭素を骨格とする分子の総称。生物由来のものもあれば、生物とは無関係な化学反応でできるものもある)**が含まれていたことが報告されている。ここで重要な注意点がある。有機物は、地球上では生命活動によって作られることが多いものの、有機物そのものは、隕石の中や、生命とは無関係な化学反応(非生物的なプロセス)によっても作られうる分子である。したがって、「有機物が見つかった」という事実は、それだけで「生命が存在した証拠」を意味するわけではない。

### 11-3. チェヤバ・フォールズ — 「潜在的なバイオシグネチャー」という慎重な表現

2024年7月、パーサヴィアランスは、火星の古代の川の跡と見られる領域で、**チェヤバ・フォールズ**と呼ばれる愛称を持つ泥岩の岩石を発見した。この岩石の内部には、「レオパードスポット(ヒョウ柄の斑点)」と呼ばれる、特徴的な模様をした鉱物の斑点が、有機炭素と入り混じるようにして分布していることが、パーサヴィアランスに搭載された分析装置(PIXLおよびSHERLOCと呼ばれる、元素組成や有機物・鉱物の分布を調べる装置)によって確認された。分析の結果、この斑点には**ビビアナイト(水酸化鉄リン酸塩)**と**グレイジャイト(硫化鉄)**という2種類の鉱物が含まれていることが分かっている。

2025年9月、NASAはこの発見について、正式に**「潜在的なバイオシグネチャー(生命活動の痕跡である可能性を示す証拠、水準五)」**であると発表した。この表現は、慎重に選ばれた言葉遣いである。地球上では、これと似た反応の前線(酸化・還元反応が進む境界)にできる斑点模様は、微生物が有機物を分解する際の化学反応によって生じることが知られている。しかし、まったく同じような模様や鉱物の組み合わせが、生命の関与なしに、純粋な化学反応(非生物的な酸化還元反応)だけでも形成されうることも知られている。

ここで本書として明確にしておかなければならない、もっとも重要な一文がある。**この発見は、「生命の痕跡が見つかった」という意味では断じてなく、あくまで「生命の存在に適した過去の環境の証拠」、そして「生命活動によって生じた可能性を完全には否定できない、注目すべき鉱物学的パターンの発見」にとどまる**、という点である。NASA自身も、この発見を発表した際、非生物的な説明の可能性がまだ排除しきれていないことを明言しており、「生命の証拠が確認された」というような断定的な表現は、2020年代なかばの時点において、科学的に正確ではない。今後、より詳しい分析や、次に述べるサンプルリターン計画によって地球に持ち帰られた試料を、月のアポロ試料のようにあらゆる最新の分析装置で調べ尽くすことができれば、この判断に決着がつく可能性がある。

### 11-4. サンプルリターン計画という次の一歩

月の起源(第一章)や年代(随所)についての理解が大きく進んだのは、アポロ計画によって実際の試料が地球に持ち帰られ、あらゆる最新の分析装置にかけることができたからである。火星についても、探査車に搭載できる分析装置には限界があるため、実際に試料を地球へ持ち帰り、月の試料と同じように徹底的に分析したいという構想が、**火星サンプルリターン計画(かせいサンプルリターンけいかく、水準五: パーサヴィアランスが採取・保管している試料を、将来のミッションによって地球まで持ち帰ることを目指す計画)**として検討されている。

パーサヴィアランスは、探査中に採取した岩石・堆積物の試料を、密閉した容器に収めて火星表面に保管しており、これらは将来、別のミッションによって回収され、火星を出発するロケット、そして地球へ帰還する探査機へと、段階的に受け渡されていく構想になっている。

ただし、ここで正直に述べておかなければならない点がある。この計画は、技術的難度の高さ(火星表面から物資をロケットで打ち上げる、という月より重力の強い天体からの離陸を必要とする)や、費用・スケジュールの見直しが繰り返し議論されており、2020年代なかばの時点で、実現の具体的な時期や実施の枠組みは確定していない、計画段階のプロジェクトである。もしこの計画が実現すれば、チェヤバ・フォールズのような発見について、より確定的な結論を得られる可能性が高まると期待されている。

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## 休憩所⑪: まとめ箱 — 第十一章のポイント

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探査史年表: マリナー4号(1965年フライバイ)→バイキング1・2号(1976年着陸)

→マーズ・パスファインダー(1997年)→スピリット・オポチュニティ(2004年)

→キュリオシティ(2012年)→インサイト(2018年)→パーサヴィアランス・インジェニュイティ(2021年)

国際的にはマーズ・エクスプレス(ESA・2003年)、天問一号・祝融号(中国・2021年)等

2022年: ジェゼロ・クレーターの三角州からミッション最高濃度の有機物を検出

(有機物=生命由来とは限らない、非生物的にも生成されうる点に注意)

2024年発見・2025年9月発表: チェヤバ・フォールズのレオパードスポット

(ビビアナイト+グレイジャイト、有機炭素と共存)

→ NASAは「潜在的なバイオシグネチャー」と表現(生命の証拠が確定したわけではない)

→ 本書の立場: 「生命の存在に適した過去の環境の証拠」に留め、断定は避ける

火星サンプルリターン計画: パーサヴィアランスの試料回収・地球帰還構想

→ 技術的難度・費用面で計画段階、実現時期は未確定

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# 第三部 太陽 — もっとも身近な恒星、その内部を「聴く」

## 第十二章: 太陽の形成 — 原始太陽系円盤からの重力収縮

### 12-1. 分子雲から原始太陽系円盤へ

星の誕生そのものの一般的な仕組み(分子雲の重力収縮から原始星が生まれる過程)については、→BOOK-0093(天文派生・恒星進化第1巻)第二章ですでに詳しく扱った。本章では、その一般論を、私たちの太陽という一つの具体的な星の物語として、より詳しく掘り下げていく。

およそ45億6700万年前(この年代の根拠は12-4で詳しく扱う)、後に太陽系となる分子雲の一部が、何らかのきっかけ(近傍の超新星爆発の衝撃波が引き金になったとする説が有力視されているが、決定的な証拠があるわけではなく仮説の域を出ない)によって、重力収縮を始めた。収縮していくガスの雲は、わずかな回転(角運動量)を持っていたため、収縮が進むにつれて、フィギュアスケートの選手が腕を縮めると回転が速くなるのと同じ原理(角運動量保存則、水準三: 外部から力のモーメントが働かない限り、回転運動の勢いを表す角運動量は保存されるという物理法則)で、回転がどんどん速くなっていった。

急速に回転するガス雲は、重力収縮が進むにつれて、回転軸に垂直な方向にはつぶれにくく、回転軸方向には収縮しやすいという性質を持つため、次第に薄い円盤状の構造へと姿を変えていく。この円盤を**原始太陽系円盤(げんしたいようけいえんばん、水準三: 誕生しつつある太陽の周囲に形成された、ガスとちりでできた回転する円盤。後に惑星の材料になる)**と呼ぶ。円盤の中心にはガスが集中して原始太陽が形成され、円盤の中では、後の章で見る火星や、本書では扱わない他の惑星たちの材料となる、ちりや微惑星が徐々に集積を始めていた。

### 12-2. 重力収縮というエンジン — 核融合が始まる前の輝き

円盤の中心に集まったガスの塊(原始太陽)は、この段階ではまだ核融合を起こしていない。それにもかかわらず、原始太陽はすでにぼんやりと光り輝いていたと考えられている。この光と熱の源は、**重力収縮そのものが生み出すエネルギー(ケルビン・ヘルムホルツ収縮、水準四: 天体が自分自身の重力によって収縮する際に、失われた重力エネルギーの一部が熱に変わり、光として放出される過程)**である。

この仕組みは、物を落とすと運動エネルギーに変わり、着地の衝撃で熱が発生するのと同じ原理を、天体規模で考えたものだと理解するとわかりやすい。原始太陽は、収縮するたびに外側のガスが内側へ落ち込み、その分の重力エネルギーが熱に変換されて、中心部の温度をじわじわと押し上げていった。19世紀の物理学者ケルビン卿とヘルムホルツは、実はこの重力収縮のエネルギーだけで太陽の寿命を説明しようと試みたことがある(太陽がこの方法だけで輝き続けられる期間を計算すると、せいぜい数千万年程度にしかならない、という結果になった)。しかし、地質学的な証拠(地球の岩石の年代測定)は、地球や太陽系がそれよりもはるかに長い、数十億年という年代を持つことを示しており、この不一致は、当時の物理学ではまだ知られていなかった核融合というエネルギー源の存在によって、後に解消されることになる。この核融合エンジンの詳細は、次章で扱う。

### 12-3. 点火までの道のり — 「まだ星ではない」時代

重力収縮が進むにつれて、原始太陽の中心部の温度と圧力はどんどん上昇していく。この段階の原始太陽は、まだ正式な「恒星」とは呼べない、**前主系列星(ぜんしゅけいれつせい、水準四: 誕生の途中段階にあり、まだ核融合による安定したエネルギー生産を始めていない、収縮を続けている段階の星)**の状態にある。この時期の若い星は、しばしば**Tタウリ型星(水準五: 前主系列星の段階にある、質量放出や強い変光を伴う若い星の一種)**と呼ばれる性質を示すことが、他の若い星の観測から知られている。

中心の温度が、水素の核融合が始まる臨界点(→BOOK-0093恒星進化第1巻第二章で扱った、およそ1000万K程度)に到達したとき、太陽はついに水素の核融合を開始し、正式な恒星としての一生をスタートさせた。この点火の瞬間から現在まで、太陽はおよそ46億年にわたって(→BOOK-0093恒星進化第1巻第三章で確立済みの数値)、安定して輝き続けている。

### 12-4. 太陽系の「誕生証明書」— 隕石の中の最古の物質

ここまで何度か「太陽系の年齢はおよそ45億6700万年」という数値を使ってきたが、この数値がどのようにして求められたのかについても、観測手法の観点から触れておきたい。

太陽系ができた当初、原始太陽系円盤の中でもっとも早く固体として固まった物質は、その後の惑星形成や火山活動などによる「上書き」を受けていない限り、太陽系の年齢そのものに近い年代を保持しているはずである。この「もっとも早くできた固体」の代表例が、炭素質コンドライトと呼ばれる種類の隕石(たとえばメキシコに落下した「アジェンデ隕石」などが有名である)の中に含まれる、**CAI(カルシウム・アルミニウムに富む包有物、水準五: 隕石の中に見られる、太陽系でもっとも早期に固化したと考えられている、白っぽい小さな粒状の物質)**である。

CAIに含まれる鉛の同位体を用いた放射年代測定(→第一章1-4で説明した手法と同じ原理)によって、CAIの年代はおよそ**45億6700万年前**(様々な研究の値を総合すると、およそ±60万年程度の誤差の範囲内)であると推定されている。この数値が、太陽系全体の「誕生証明書」の日付として、天文学・惑星科学のさまざまな場面で基準点として使われている。第一章で見た月の形成年代(太陽系形成から5000万〜1億1000万年後)や、第六章で見た火星の急成長(太陽系形成から200万年程度)といった数値は、いずれもこのCAIの年代を基準点(ゼロ年)として、そこからの経過時間として計算されたものである。

### 12-5. 太陽が太陽系の「ほぼ全質量」を占めるということ

太陽系の質量の99.8%以上は太陽に集中しており、地球・火星・木星をはじめとするすべての惑星、そして無数の小天体を合わせても、太陽系全体の質量のわずか0.2%程度にしかならない(→BOOK-0024天文学第1冊で扱った太陽系の基本構造とも一致する)。この極端な質量の偏りは、太陽の重力が太陽系全体の力学的な骨格を決めている理由そのものである。惑星たちが安定した軌道を描いて公転できるのも、太陽という圧倒的な質量の中心があってこそである。

### 12-6. なぜ太陽は「ちょうどいい」大きさの星なのか

原始太陽系円盤の中心に集まったガスの量が、もし現在よりもずっと少なかったら、あるいは多かったら、まったく違う結果になっていたはずである。天体の質量が、太陽のおよそ8%(木星質量のおよそ80倍程度)を下回ると、中心部の温度と圧力が、水素の核融合を持続的に起こすのに十分な水準まで達することができない。このような、核融合を起こせないまま冷えていく天体を**褐色矮星(かっしょくわいせい、水準四: 恒星になるには質量が足りず、核融合を持続的に維持できない、恒星と惑星の中間的な天体)**と呼ぶ。

逆に、原始太陽の質量がもっと大きかったなら、→BOOK-0093恒星進化第1巻第六章で見たように、中心部の核融合はもっと激しく進み、寿命はずっと短くなっていたはずである(質量が大きい星ほど寿命が短いという関係)。もし太陽が非常に大質量の星だったなら、生命が誕生し進化するために必要な、数十億年という長い安定期を提供することはできなかったかもしれない。太陽が現在のような、およそ100億年という長い主系列星としての寿命(→BOOK-0093第三章)を持つ、中程度の質量の星であったことは、地球に生命が誕生し、長い時間をかけて進化する時間的な余裕を与えたという意味で、私たちにとって決して当たり前ではない、一つの巡り合わせだったと言えるだろう。

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## 休憩所⑫: まとめ箱 — 第十二章のポイント

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原始太陽系円盤 = 分子雲の重力収縮+角運動量保存により、回転する円盤状に姿を変えたガス雲

中心に原始太陽が形成、円盤内で惑星の材料(微惑星)が集積開始

点火前の原始太陽はケルビン・ヘルムホルツ収縮(重力収縮のエネルギー)で輝いていた

→ ケルビン卿らの計算では太陽の年齢を数千万年程度としか説明できず、後に核融合発見で解消

太陽系の年齢(約45億6700万年前)= 隕石中のCAI(カルシウム・アルミニウム包有物)の

鉛同位体年代測定による「誕生証明書」。月・火星の形成年代の基準点(ゼロ年)として使われる

太陽の質量は太陽系全体の99.8%以上を占める

太陽が「ちょうどいい」質量だったからこそ、長い安定期(→BOOK-0093)が確保された

(軽すぎれば褐色矮星、重すぎれば寿命が短すぎた)

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## 第十三章: 主系列星としての核融合 — pp連鎖とCNOサイクル

### 13-1. なぜ核融合には「量子力学的な後押し」が必要なのか

太陽の中心部でなぜ水素の核融合が起きるのかを理解するには、まず「なぜ核融合がそう簡単には起きないのか」を理解しておく必要がある。水素の原子核(陽子)は、いずれもプラスの電気を帯びているため、互いに近づこうとすると、電気的な反発力(クーロン力、水準三: 同じ符号の電荷を持つ粒子同士が反発し合う力)によって強く押し返される。この反発力に打ち勝って、核融合が起きるほど近い距離(原子核の大きさ程度)まで陽子同士を近づけるためには、本来は途方もない高温・高速の衝突が必要になる。

ところが、太陽の中心温度(およそ1500万K、→BOOK-0093恒星進化第1巻第三章で確立済み)から単純に見積もられる陽子の平均的な速度だけでは、実は古典的な物理学の計算上、この反発力を乗り越えるために必要なエネルギーには、わずかに届かない。それでも実際に核融合が進行しているのは、**量子トンネル効果(りょうしトンネルこうか、水準五: 粒子が、古典的にはエネルギー的に超えられないはずの壁を、確率的にすり抜けてしまう量子力学的な現象)**のおかげである。陽子同士がクーロン力の反発の壁に完全に打ち勝てなくても、ごくわずかな確率で、その壁を「すり抜けて」核融合反応を起こすことができる。この確率はとても小さいが、太陽の中心部には天文学的な数の陽子が存在するため、全体として見ればじゅうぶんな頻度で核融合反応が進行し、太陽を輝かせ続けるだけのエネルギーを生み出している。

### 13-2. pp連鎖 — 太陽のエネルギー生産の主役

太陽の中心部で主として進行している核融合の経路を、**pp連鎖(ピーピーれんさ、陽子ー陽子連鎖反応、水準四: 4個の水素原子核(陽子)が、複数の段階を経て1個のヘリウム4原子核に変わる、一連の核融合反応)**と呼ぶ。この反応は、大きく3つの段階に分けて理解できる。

第一段階では、2つの陽子が衝突し(前述の量子トンネル効果を経て)、片方の陽子が中性子に変わりながら、重水素(じゅうすいそ、陽子1個と中性子1個からなる、水素の同位体)の原子核、陽電子(ようでんし、電子の反粒子)、そして電子ニュートリノを生成する。第二段階では、この重水素の原子核が、別の陽子と衝突して、ヘリウム3(陽子2個・中性子1個)の原子核とガンマ線を生成する。第三段階では、こうしてできた2つのヘリウム3の原子核同士が衝突し、1個のヘリウム4(陽子2個・中性子2個、通常のヘリウム)の原子核と、2個の陽子を作り出す(この最後に作られる2個の陽子は、再びpp連鎖の材料として使われる)。

全体をまとめると、正味で**4個の水素原子核が、1個のヘリウム4原子核に変わる**反応であり、この過程で生成物の質量が、反応前の材料の質量よりもわずかに軽くなる。この「軽くなった分」の質量が、アインシュタインの関係式(E=mc²、→BOOK-0093第三章で言及済み)にしたがって、莫大なエネルギーに変換される。

### 13-3. 検算 — 質量欠損とエネルギー放出量の計算

ここで、pp連鎖1回あたりに放出されるエネルギーを、実際に数値を使って計算してみよう。

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4個の水素原子(¹H)の質量: 1.007825u × 4 = 4.031300u

ヘリウム4原子(⁴He)の質量: 4.002602u

質量欠損 Δm = 4.031300u − 4.002602u = 0.028698u

1u(原子質量単位)はエネルギーに換算するとおよそ931.494MeVに相当するので、

放出エネルギー E = 0.028698u × 931.494MeV/u ≈ 26.73MeV

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この**26.73MeV**という値は、実験・理論の両面から確立している値と一致する検算結果である。この放出エネルギーのうち、およそ**98%(およそ26.20MeV)**は、生成された粒子の運動エネルギーやガンマ線として、太陽の内部にとどまって熱に変わり、太陽を輝かせる直接のエネルギー源になる。残りのおよそ**2%(およそ0.53MeV)**は、反応の際に放出される電子ニュートリノが持ち去ってしまい、太陽の外へすり抜けて出ていってしまう(ニュートリノについては第十四章で詳しく扱う)。

また、質量欠損の割合(反応した質量のうち、どれだけがエネルギーに変わったか)を計算すると、

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Δm ÷ (4個の水素原子の質量) = 0.028698 ÷ 4.031300 ≈ 0.00712 ≈ 0.7%

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となり、**pp連鎖では、反応した水素の質量のおよそ0.7%が、エネルギーに変換されている**ことが分かる。裏を返せば、残りの99.3%の質量は、ヘリウムという「灰」として、そのまま太陽の中に残り続けることになる。

### 13-4. 検算 — 太陽の水素消費率を、光度から逆算する

この0.7%という数値を使うと、→BOOK-0093恒星進化第1巻第三章で示されていた「太陽は毎秒およそ6×10¹¹kg(6億トン)の水素をヘリウムに変換している」という数値を、別の道筋(太陽の光度という、観測で直接測定できる量)から独立に検算することができる。

太陽が単位時間あたりに放出しているエネルギー(光度)は、国際天文学連合が定めるおおよその値で、**L☉ ≈ 3.828×10²⁶ワット**である。E=mc²の関係を使うと、この光度を生み出すために、太陽が毎秒失っている質量(エネルギーに変換されている質量)は、次のように計算できる。

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質量変換率 = L ÷ c² = 3.828×10²⁶ ÷ (3×10⁸)² = 3.828×10²⁶ ÷ 9×10¹⁶ ≈ 4.25×10⁹ kg/秒

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この4.25×10⁹kg/秒(およそ毎秒425万トン)は、「エネルギーに変換された質量」の量である。ここに、先ほど求めた「反応した水素質量のうち0.7%がエネルギーになる」という割合を使うと、実際に反応している(消費されている)水素そのものの質量は、次のように逆算できる。

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水素消費率 = 質量変換率 ÷ 0.00712 ≈ 4.25×10⁹ ÷ 0.00712 ≈ 5.97×10¹¹ kg/秒

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この**5.97×10¹¹kg/秒**という値は、→BOOK-0093恒星進化第1巻第三章に示されていた「毎秒およそ6×10¹¹kg」という数値と、非常によく一致している。異なる出発点(BOOK-0093は水素消費の総量からの見積もり、本書は太陽光度とpp連鎖の質量欠損比率からの逆算)から、ほぼ同じ数値にたどり着いたことは、この数値がしっかりとした物理的根拠に支えられていることを裏付ける、良い検算の実例だと言える。

### 13-5. CNOサイクル — 炭素・窒素・酸素が触媒になる、もう一つの経路

太陽の中心部では、pp連鎖とは別の経路でも、ごくわずかながら水素からヘリウムへの核融合が進行している。これを**CNOサイクル(シーエヌオーサイクル、水準五: 炭素・窒素・酸素の原子核を触媒として利用しながら、正味で水素をヘリウムに変える、循環的な核融合反応の経路)**と呼ぶ。

CNOサイクルの特徴は、反応の出発点と終着点で炭素・窒素・酸素の量が変化しない、つまりこれらの元素が**触媒(しょくばい、水準三: 反応の前後で自分自身は変化しないが、反応を促進する働きをする物質)**として働く点にある。炭素12の原子核に、次々と水素の原子核(陽子)が取り込まれ、窒素やより重い炭素・酸素の同位体を経由しながら、最終的にはヘリウム4の原子核を1個放出し、もとの炭素12の原子核が再生される、という循環的な経路をたどる。

CNOサイクルは、中心温度がより高い、太陽より重い星ほど効率よく進行する性質を持つ。太陽の中心温度(およそ1500万K)程度では、CNOサイクルの反応速度は温度に対して非常に敏感(温度が少し上がるだけで反応速度が急激に増える性質)であるため、太陽ではCNOサイクルの寄与は全体のエネルギー生産のわずか**1%程度**にとどまり、残りの99%はpp連鎖が担っていると見積もられている。ただし、太陽よりいくらか重い恒星になると、中心温度がより高くなるため、CNOサイクルの寄与が急速に増加し、太陽のおよそ1.3倍以上の質量を持つ恒星では、CNOサイクルの方がむしろ主役になると考えられている。

### 13-6. CNOサイクル発見の歴史と、直接観測による証明

CNOサイクルは、1938年から1939年にかけて、ドイツ生まれの物理学者**ハンス・ベーテ**と、同じくドイツの物理学者**カール・フリードリヒ・フォン・ヴァイツゼッカー**が、それぞれほぼ独立に理論的に提唱した経路である。ベーテは、pp連鎖とCNOサイクルの両方を含む、恒星が核融合によってエネルギーを生み出す仕組み全般についての理論的な業績によって、1967年にノーベル物理学賞を受賞している。

ただし、理論的に提唱されてから長い間、CNOサイクルが実際に太陽の中で起きているという直接の観測的証拠は得られていなかった。この状況が変わったのは、2020年11月のことである。イタリアのグランサッソ山地の地下1400メートルに設置された、**ボレクシーノ(Borexino)**と呼ばれるニュートリノ観測装置を運用する国際研究グループが、太陽から届くニュートリノの中に、CNOサイクル由来のものが確かに含まれていることを、世界で初めて検出したと『ネイチャー』誌に発表した。この発見は、太陽の中でCNOサイクルが実際に(理論の予測通りごくわずかな割合ではあるものの)進行していることを示す、直接的な観測的証拠となった。理論の提唱(1938〜1939年)から、実際の直接検出(2020年)まで、実に80年以上の歳月がかかったことになる。

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## 休憩所⑬: まとめ箱 — 第十三章のポイント

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核融合には量子トンネル効果(クーロン力の反発を確率的にすり抜ける現象)が必要

pp連鎖の3段階: ①陽子+陽子→重水素+陽電子+ニュートリノ

②重水素+陽子→ヘリウム3+ガンマ線 ③ヘリウム3+ヘリウム3→ヘリウム4+陽子×2

正味で4個の水素原子核→1個のヘリウム4原子核

検算1: 質量欠損Δm=4.031300u−4.002602u=0.028698u→E=Δm×931.494MeV/u≈26.73MeV

(うち約98%が熱として残り、約2%はニュートリノが持ち去る)

検算2: 質量欠損の割合Δm/4m_H≈0.7%

検算3: 太陽光度L=3.828×10²⁶Wから水素消費率を逆算→約5.97×10¹¹kg/秒

→ BOOK-0093の「毎秒約6×10¹¹kg」という数値と独立に一致(検算成功)

CNOサイクル(炭素・窒素・酸素が触媒)= 太陽ではエネルギー生産の約1%(pp連鎖が約99%)

1938〜39年ベーテ&フォン・ヴァイツゼッカーが理論提唱(ベーテは1967年ノーベル賞)

2020年11月: ボレクシーノ実験がCNOニュートリノを世界初検出(理論から80年越しの直接証拠)

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## 第十四章: 太陽の内部を診る — 日震学とニュートリノ観測

### 14-1. 「内部に入れない天体」を調べる、という究極の間接観測

太陽の中心部は、表面からおよそ70万kmも内側にあり、想像を絶する高温・高圧の環境にある。人類はもちろん、いかなる探査機も、太陽の内部に直接入って観測することはできない。それにもかかわらず、天文学者は太陽の内部構造や、内部で実際に起きている核融合反応について、かなり詳しいことを知っている。これを可能にしているのが、本章で扱う**日震学(にっしんがく、水準五: 太陽表面に見られる周期的な振動を分析することで、太陽の内部構造を推定する学問)**と、**太陽ニュートリノ観測**という、2つの強力な観測手法である。

### 14-2. 日震学の原理 — 太陽表面の「さざなみ」を読む

太陽の表面(光球、こうきゅう)を高い精度で観測すると、表面全体が、およそ5分程度の周期で、ごくわずかに振動していることが分かる。この振動は、太陽の内部を伝わる音波(圧力波、p-モードと呼ばれる)が、太陽の内部で反射を繰り返しながら、表面にさざなみのような模様を作り出しているものである。

この振動を観測する具体的な方法は、太陽表面のガスが、私たちに近づいたり遠ざかったりする際に生じる、光の波長のごくわずかなずれ(ドップラー効果、→BOOK-0101宇宙論第1巻の赤方偏移と同じ原理)を、太陽面の各地点について精密に測定する、というものである。この観測によって得られる、太陽表面のどの場所がどんな速さで振動しているかという情報を、数学的な手法(→BOOK-0019望遠鏡と天文観測第1冊で扱った分光観測とも関連する、波を成分に分解する考え方)で分析することで、太陽の内部の温度・密度・音速の分布、さらには内部の物質がどのように回転しているかまでもが、間接的に「透視」できる。この発想は、月震学(→第四章)や火震学(→第十章)とまったく同じ「波の伝わり方から見えない内部を読む」という観測哲学に基づいている。

### 14-3. SOHO探査機がもたらした成果 — 差動回転とタコクライン

1995年に打ち上げられ、現在も運用が続いている探査機**SOHO(ソーホー、太陽・太陽圏観測衛星)**は、地球からおよそ150万km離れた、太陽と地球を結ぶ直線上の特別な位置(ラグランジュ点と呼ばれる、重力バランスの取れた場所)から、太陽を継続的に観測し続けている。SOHOによる日震学の観測は、太陽の内部構造について、数々の重要な知見をもたらした。

その一つが、太陽の**差動回転(さどうかいてん、水準五: 天体の異なる緯度や深さで、自転の速さが異なる現象)**の詳しい構造である。太陽の表面は、赤道付近が高緯度地域よりも速く自転している(赤道でおよそ25日、極付近ではおよそ35日で1回転する)ことが古くから知られていたが、日震学の観測により、この緯度による自転速度の違いが、太陽表面だけでなく、対流層(たいりゅうそう、水準四: 太陽内部でガスが対流によって熱を運んでいる、外側の層)の深いところまで、ほぼそのまま続いていることが明らかになった。ところが、対流層よりさらに内側にある放射層(ふくしゃそう、水準四: 太陽内部で、対流ではなく光(放射)によって熱が運ばれている、より中心に近い層)は、緯度によらずほぼ一様な速さで回転している(まるで硬い球体のように回転している)ことも分かった。この、回転の仕方が急激に変化する、対流層と放射層の境界にあたる薄い層を、**タコクライン(水準六: 太陽内部で、差動回転する対流層と、一様に回転する放射層との間にある、回転の仕方が急激に変化する境界層)**と呼ぶ。

### 14-4. g-モードの発見 — 太陽の中心核は表面より速く回っている

日震学で使われる太陽表面の振動には、先ほど述べた音波によるp-モードのほかに、浮力を復元力とする、より低い周波数の振動である**g-モード(重力モード、水準六: 主に太陽の中心核付近で強く現れる、浮力を復元力とする低周波の振動モード)**と呼ばれる種類も理論的に予測されていた。しかし、g-モードは太陽表面ではごく微弱にしか現れないため、その検出は非常に困難で、実に40年近くにわたる探索が続けられてきた。

2017年、SOHOの長期観測データを丹念に分析した研究グループが、ついにこのg-モードの検出に成功したと発表した。この観測結果によれば、**太陽の中心核は、表面と比べておよそ4倍も速く自転している**ことが明らかになった。この結果は、太陽が誕生した当初に持っていた、より速い回転の名残が中心核に閉じ込められたまま今日まで保存されている可能性を示唆しており、太陽の長期的な自転の歴史を知るための、貴重な手がかりになっている。

### 14-5. 太陽ニュートリノ問題 — 「予測の3分の1しか見つからない」という謎

日震学とは別の角度から太陽の内部を調べる手法が、第十三章で触れた**ニュートリノ(素粒子の一種、水準四: 極めて軽く、ほとんど物質と相互作用しない、電気的に中性な素粒子)**の観測である。

ニュートリノは物質とほとんど相互作用しないため、太陽の中心部で作られたニュートリノは、周囲の物質にほとんど邪魔されることなく、わずか数秒程度で太陽の表面まで達し、そのまま宇宙空間へ飛び出していく(この点は、後述するように、光子が中心部から表面まで届くのに要する時間とは、桁違いに異なる)。つまりニュートリノは、太陽の中心部で「たった今」起きている核融合反応の様子を、ほぼリアルタイムで地球まで伝えてくれる、またとない情報源なのである。

1960年代後半、アメリカの物理学者**レイモンド・デイビス**は、アメリカのホームステイク鉱山の地下に建設した観測装置を使い、太陽から届くニュートリノを世界で初めて検出することに成功した。ところが、この観測で実際に検出されたニュートリノの数は、理論家**ジョン・バーコール**らが太陽のモデル(核融合の仕組みや中心温度についての、当時最良の理論的な予測)から計算した予測値の、およそ**3分の1程度**しかなかった。この深刻な食い違いは、**太陽ニュートリノ問題(たいようニュートリノもんだい、水準五: 観測される太陽ニュートリノの数が、理論的な予測よりも大幅に少ないという、長年の謎)**として、素粒子物理学・天文学の双方を悩ませる大問題になった。

### 14-6. 解決 — ニュートリノは「姿を変えながら旅をする」

この謎を解く鍵は、太陽の物理そのものではなく、ニュートリノという素粒子自身の性質にあった。ニュートリノには、電子ニュートリノ・ミューニュートリノ・タウニュートリノという3つの「種類(フレーバー)」があることが知られているが、太陽の中心部の核融合反応で作られるのは、そのうち電子ニュートリノだけである。ところが、ニュートリノは宇宙空間を旅する間に、確率的にこれら3つの種類の間を行ったり来たりする、**ニュートリノ振動(にゅーとりのしんどう、水準六: ニュートリノが飛行中に、種類(フレーバー)を確率的に変化させる量子力学的な現象)**と呼ばれる性質を持っていることが分かってきた。

デイビスの観測装置は、電子ニュートリノだけを検出する仕組みだったため、太陽を出発した電子ニュートリノの一部が、地球に届くまでの間にミューニュートリノやタウニュートリノに姿を変えてしまうと、それらは検出されず、見かけ上「ニュートリノが足りない」という結果になってしまっていたのである。

この仮説を決定的に検証したのが、日本の**スーパーカミオカンデ**(1998年、大気中で作られるニュートリノの観測からニュートリノ振動の強い証拠を提示)と、カナダの**SNO(サドベリー・ニュートリノ天文台)**(2001年から2002年にかけて、電子ニュートリノだけでなく、3種類すべてのニュートリノの合計数を測定する独自の手法により、太陽から実際に飛来しているニュートリノの総数が、バーコールらの理論予測とほぼ一致することを証明)という、2つの観測施設だった。この一連の成果により、太陽ニュートリノ問題は「太陽の理論モデルが間違っていた」のではなく「ニュートリノが振動して姿を変えていた」ことが原因だったと、最終的に決着した。この功績により、スーパーカミオカンデの**梶田隆章**とSNOの**アーサー・マクドナルド**に、2015年のノーベル物理学賞が贈られている。

### 14-7. 光子とニュートリノ — 太陽の「今」を知る2つの時計

ここで、日震学とニュートリノ観測、そして太陽の光そのものという、3種類の情報が、それぞれどれだけ「新しい」情報を伝えているかを比較しておくと興味深い。

太陽の中心部で核融合によって作られたガンマ線(高エネルギーの光子)は、太陽内部の非常に濃密なガスに何度も何度も吸収されては再放出される(この過程を放射拡散と呼ぶ)ため、中心部から太陽の表面にたどり着くまでに、見積もりによって差はあるものの、**数万年から17万年程度**という、途方もない時間がかかると考えられている。つまり、私たちが今浴びている太陽の光そのものは、数万年以上も前に中心部で生まれたエネルギーが、ようやく表面にたどり着いて放出されたものであり、「今この瞬間」の太陽の中心部の状態を直接には教えてくれない。

これに対して、ニュートリノは物質とほとんど相互作用しないため、中心部から表面までわずか2秒程度で突き抜けて出てきてしまう。つまり、地球で観測される太陽ニュートリノは、「たった8分ちょっと前(→BOOK-0093第四章で確認済みの、太陽から地球までの光の到達時間)に、太陽の中心部で実際に起きていた核融合反応」を、ほぼリアルタイムで伝えてくれる、特別な情報源なのである。日震学(内部構造という「地図」を教えてくれる)とニュートリノ観測(中心部の反応という「今この瞬間の活動」を教えてくれる)は、互いに補い合う、太陽の内部を知るための二本柱だと言える。

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## 休憩所⑭: まとめ箱 — 第十四章のポイント

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日震学 = 太陽表面の5分周期の振動(p-モード、音波起源)をドップラー効果で観測し

内部構造を推定する学問(月震学・火震学と同じ観測哲学)

SOHO探査機(1995年打ち上げ)の成果: 差動回転が対流層まで続き、

放射層は一様回転→境界のタコクラインを発見

2017年: g-モード検出に成功→太陽の中心核は表面の約4倍の速さで自転と判明

太陽ニュートリノ問題: 1960年代デイビスの観測が理論予測の約1/3しか検出できず

解決: ニュートリノ振動(電子・ミュー・タウの間で姿を変える)が原因

スーパーカミオカンデ(1998年)+SNO(2001-02年)で検証、2015年ノーベル物理学賞

光子は中心部から表面まで数万年〜17万年程度(放射拡散)かかるのに対し、

ニュートリノは約2秒で突き抜ける→ニュートリノは太陽の「今」を伝える情報源

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## 第十五章: 現在の太陽活動 — 黒点・太陽風・太陽フレア

### 15-1. 黒点とは何か — 磁場が作る「涼しい染み」

太陽の表面(光球)を望遠鏡で観測する(→BOOK-0019で扱った、太陽観測専用のフィルターが必須であることに注意)と、しばしば黒っぽい染みのような模様が見られる。これを**黒点(こくてん、水準三: 太陽表面に現れる、周囲より温度が低く暗く見える領域。強い磁場の集中によって生じる)**と呼ぶ。

黒点が暗く見えるのは、そこの物質が消えているからではなく、**強い磁場が対流によるエネルギー輸送を妨げるため、周囲の光球(表面温度およそ5500〜6000K、→BOOK-0093第四章で確立済み)よりも温度が低くなる(黒点の中心部でおよそ3800〜4500K程度と見積もられる)**ためである。周囲より1500〜2000K程度低いだけでも、明るさの差は大きく、周囲との対比で「黒い」ように見える。もし黒点だけを周囲から切り離して夜空に置いたなら、それでもかなり明るく輝いて見えるはずである。

### 15-2. 11年周期という規則性 — シュヴァーベの発見

黒点の数は、常に一定ではなく、およそ11年の周期で増減を繰り返すことが知られている。この規則性を発見したのは、ドイツのアマチュア天文家**ハインリヒ・シュヴァーベ**である。シュヴァーベは、もともと天王星よりも内側を回る、当時未発見だった仮想的な惑星「バルカン」を探す目的で、1826年から17年間にもわたって、ほぼ毎日太陽を観測し、黒点の記録を取り続けていた。バルカン探しという当初の目的は実を結ばなかったが、その副産物として、1843年、黒点の数がおよそ10年の周期で増減していることを発表した。

この発見は当初あまり注目されなかったが、後にスイスの天文学者**ルドルフ・ヴォルフ**が、過去の観測記録を1745年までさかのぼって整理し直し、周期をより正確な**およそ11年**に精緻化した。この「太陽活動周期(たいようかつどうしゅうき)」あるいは「シュヴァーベ周期」と呼ばれる11年周期は、その後、太陽の磁場の向きが周期ごとに反転するという、より大きな22年周期(磁気周期)の一部であることも分かっている。

### 15-3. マウンダー極小期 — 黒点がほとんど消えた70年間

太陽活動周期の記録をさらにさかのぼると、1645年から1715年ごろにかけて、黒点の数が異常なほど少なかった時期があったことが分かっている。この時期を、**マウンダー極小期(マウンダーきょくしょうき、水準五: 1645年から1715年ごろにかけて、黒点の出現数が著しく少なかった、太陽活動の低下期)**と呼ぶ。

興味深いことに、このマウンダー極小期は、ヨーロッパを中心に寒冷な気候が続いた「小氷期(しょうひょうき)」と呼ばれる時代とおおむね重なっていることが知られており、この時期の平均気温は、現在と比べておよそ2度前後低かったとする推定もある。ただし、ここで正直に述べておかなければならない点がある。マウンダー極小期と小氷期の寒冷化との間に、どの程度の因果関係があるのかについては、天文学者・気候学者の間でも意見が分かれている。小氷期の寒冷化には、太陽活動の低下だけでなく、大規模な火山噴火による日傘効果(火山灰やエアロゾルが太陽光を遮る効果)や、海洋循環の変化など、複数の要因が関わっていたと考えられており、「太陽活動の低下だけが小氷期の唯一の原因である」と断定することはできない。

### 15-4. 太陽風 — 絶え間なく吹き出す粒子の流れ

太陽は、光だけでなく、荷電粒子(主に陽子と電子)の流れも絶えず宇宙空間に放出し続けている。これを**太陽風(たいようふう、→第九章でも触れた、水準三: 太陽から絶えず吹き出している、荷電粒子の流れ)**と呼ぶ。太陽風の存在は、1950年代にアメリカの物理学者**ユージン・パーカー**が理論的にその存在を予言し、その後1960年代初頭の探査機による直接観測によって存在が確認された。太陽風は、彗星の尾が常に太陽と反対方向になびく理由(→BOOK-0024天文学第1冊で扱った彗星の説明に関連する)の一つとしても知られている。

太陽風は、地球の磁場(地球も、火星とは異なり、現在もダイナモ作用による全球磁場を維持している)によって大部分が防がれているが、第九章で見たように、磁場を失った火星のような天体では、太陽風が大気を直接剥ぎ取ってしまう、大きな脅威になる。

### 15-5. 太陽フレアとコロナ質量放出 — 太陽の「爆発」

太陽表面では、複雑に絡み合った磁力線が、突発的につなぎかわる(磁力線再結合、水準五: ねじれた磁力線同士が突然つなぎかわり、蓄えられていた磁気エネルギーが一気に解放される現象)ことで、急激にエネルギーを解放する現象が起きることがある。これを**太陽フレア(たいようフレア、水準四: 太陽表面で突発的に発生する、強い光やX線を伴う爆発的な現象)**と呼ぶ。

太陽フレアに伴って、太陽コロナ(太陽の最外層にある、非常に高温で希薄な大気層)の物質そのものが、大量に宇宙空間へ放出されることがあり、これを**コロナ質量放出(コロナしつりょうほうしゅつ、CME、水準五: 太陽コロナの高温ガスとその中に含まれる磁場が、大量に宇宙空間へ放出される現象)**と呼ぶ。CMEが地球の方向に放出されると、数日かけて地球にまで到達し、地球の磁場を大きく乱す**磁気嵐(じきあらし、水準四: 太陽からの荷電粒子の到来によって、地球の磁場が一時的に大きく乱される現象)**を引き起こすことがある。

記録に残るもっとも激しい磁気嵐の一つが、1859年に発生した**キャリントン・イベント**である。当時はまだ電気を利用したインフラがほとんどなかったため、電信線に異常な電流が流れて発火するといった被害にとどまったが、衛星通信や送電網、GPSなどに大きく依存する現代社会で同規模の磁気嵐が発生した場合、広域停電や通信障害など、深刻な影響が及ぶ可能性があると懸念されている。太陽活動を継続的に監視し、大規模なフレアやCMEの発生を早期に察知しようとする**宇宙天気(うちゅうてんき、水準四: 太陽活動が地球や人工衛星、通信インフラに及ぼす影響を、気象予報のように監視・予測する分野)**という応用分野が、近年ますます重要視されている理由は、ここにある。

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## 休憩所⑮: まとめ箱 — 第十五章のポイント

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黒点 = 強い磁場が対流を妨げ、周囲(約5500〜6000K)より低温(約3800〜4500K)になった領域

11年周期(シュヴァーベ周期): シュヴァーベが1843年発表(1826年からの17年観測に基づく)

ヴォルフが1745年まで遡って記録整理し「11年」に精緻化

マウンダー極小期(1645〜1715年ごろ) = 黒点が著しく少なかった時期

小氷期と重なるが、因果関係の程度は諸要因(火山噴火等)もあり未確定・議論あり

太陽風(パーカーが理論予言、1960年代に直接観測で確認) = 荷電粒子の絶え間ない流れ

太陽フレア・コロナ質量放出(CME) = 磁力線再結合による爆発的現象

1859年キャリントン・イベント級が現代に起きれば深刻な影響の懸念→宇宙天気の重要性

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## 第十六章: 太陽の将来 — 赤色巨星化から白色矮星へ

### 16-1. 残された時間 — 主系列星としての「あと半分」

→BOOK-0093恒星進化第1巻第三章で確立されているとおり、太陽は主系列星として、およそ100億年の寿命を持つと見積もられており、現在の年齢はおよそ46億歳、つまり主系列星としての生涯のほぼ半分を歩んだところにある。本章では、この「残りの人生」を、より詳しく見ていく。

ここで一点、明確にしておかなければならないことがある。以下で述べる将来予測は、いずれも**確立した恒星進化理論(質量・組成が分かっている星が、どのように年を取っていくかについて、多くの恒星の観測と理論計算の両面から検証されてきた、信頼性の高い理論的枠組み)に基づく推定**であり、天気予報のような意味での「予言」ではない。太陽という一つの星が実際にどうなるかを、誰かが未来から確認してきたわけではない。それでも、同じような質量・組成を持つ、様々な年齢の星々を数多く観測することで、恒星がたどる進化の道筋は、非常に高い確度で裏付けられている。

### 16-2. なぜ年老いた星は明るくなるのか — 主系列星の「静かな変化」

主系列星は、その名の通り「安定期」ではあるが、まったく変化しないわけではない。中心部で水素がヘリウムに変わり続けると、中心部の水素の濃度はゆっくりと減少していく。核融合の反応速度を保つためには、中心部の温度と密度をわずかずつ高めていく必要があり、この結果、主系列星は年齢を重ねるにつれて、ごくゆっくりとではあるが、少しずつ明るく(そして半径もわずかに大きく)なっていくことが、恒星進化の理論から予測されている。実際、誕生した直後の太陽は、現在よりもおよそ7割程度の明るさしかなかったと推定されており(この事実は、第六章6-5で扱った「暗い若い太陽のパラドックス」の前提そのものでもある)、太陽は今後も、主系列星の期間が終わるまで、じわじわと明るさを増し続けていくと予測されている。

### 16-3. 赤色巨星への道 — 中心部の水素を使い果たすとき

主系列星としての寿命(あと数十億年)が尽きると、太陽は→BOOK-0093恒星進化第1巻第六章で説明された、小質量星(太陽程度)がたどる道筋、すなわち赤色巨星への進化を始める。中心部の水素を使い果たすと、核融合の主な舞台は中心部を取り巻く水素の殻へと移り、星全体は大きく膨張し、表面温度が下がって赤く輝く**赤色巨星**の段階に入る。

赤色巨星になった太陽の中心部では、いずれヘリウムそのものの核融合(ヘリウム→炭素、いわゆるトリプルアルファ反応と呼ばれる過程)も始まると予測されている。この段階を経て、太陽はさらに進化を続け、恒星進化の理論に基づくと、最終的にもっとも半径が大きくなる時期(赤色巨星分枝の先端、しばしば「tip-RGB」と表現される)を迎える。

### 16-4. 検算 — 膨張した太陽の大きさを、地球の軌道と比べてみる

2008年に発表された、恒星進化の詳細な数値モデルを用いた研究(シュレーダーとスミスによる研究、王立天文学会の学術誌に掲載)によれば、太陽がもっとも大きく膨張する時期には、現在のおよそ**256倍**もの半径にまで達すると見積もられている。これがどれくらいの大きさになるのか、地球の公転軌道と比較する検算をしてみよう。

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現在の太陽半径 R☉ ≈ 6.957×10⁵ km

膨張後の半径 ≈ 256 × 6.957×10⁵ km ≈ 1.781×10⁸ km

1天文単位(地球の公転軌道の半径)= 1.496×10⁸ km

膨張後の半径 ÷ 1天文単位 = 1.781×10⁸ ÷ 1.496×10⁸ ≈ 1.19天文単位

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つまり単純な比較では、赤色巨星化した太陽の表面(光球)は、現在の地球の軌道(1天文単位)よりもさらに外側、およそ1.19天文単位相当にまで膨らむ計算になる。これだけを見ると、地球はすっぽり太陽に飲み込まれてしまうように思える。

### 16-5. しかし話はそう単純ではない — 地球は逃げられるか、という論争

ここで、もう一段掘り下げた検算をしてみよう。太陽は赤色巨星に至るまでの間に、強い恒星風によって、自分自身の質量のかなりの部分(前述のシュレーダーとスミスの研究では、およそ3分の1程度)を、ゆっくりと宇宙空間へ放出してしまうと予測されている。天体が中心の質量を失うと、その周りを回る惑星の軌道は、角運動量保存則(→第十二章12-1で説明した原理と同じ)にしたがって、外側へ広がっていく。単純に「太陽の質量が3分の2(0.67倍)になった」と仮定して、地球の軌道がどこまで広がるかを見積もると、

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質量放出が十分ゆっくり進む場合の近似式: 新しい軌道半径 ≈ 現在の軌道半径 ÷ (質量の変化比)

新しい軌道半径 ≈ 1天文単位 ÷ 0.67 ≈ 1.49天文単位

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という計算になる。この単純な見積もりだけを見ると、地球の軌道(約1.49天文単位まで広がる)は、赤色巨星化した太陽の半径(約1.19天文単位)よりも外側にあるので、「地球はぎりぎり飲み込まれずに済むのではないか」という予想が成り立ちそうに思える。

ところが、前述のシュレーダーとスミスによる2008年の詳細な研究では、この単純な軌道拡大の効果だけでなく、地球が太陽の希薄な外層大気(彩層、さいそう)の中を通過する際に受ける**動力学的な摩擦(潮汐相互作用や、薄いガスとの抵抗による、軌道のエネルギーを奪う効果)**まで考慮したより精密な計算を行っている。その結果、この研究は「地球は、単純な軌道拡大の恩恵にもかかわらず、太陽の巨大に膨らんだ外層との相互作用によって軌道のエネルギーを奪われ続け、最終的には飲み込まれてしまう可能性が高い」と結論づけている。

つまり、「地球が生き残れるかどうか」という問いに対しては、単純な軌道拡大の計算だけを見れば「逃げられそうだ」という印象を持ちやすいが、より詳細な物理(摩擦・潮汐相互作用まで含めた計算)に基づく近年の研究では「やはり飲み込まれる可能性が高い」という、直感とは異なる結論が導かれている。この点について、古い研究では地球が逃げ切れるとする見積もりも存在しており、天文学者の間で完全に見解が一致しているわけではないものの、より精密な計算を行った近年の研究ほど、地球の運命に対してより悲観的な(飲み込まれるとする)結論に傾いている、というのが2020年代なかば時点での大まかな状況である。いずれにせよ、この出来事が起きるのは今からおよそ**76億年**も先のことであり、人類にとって今すぐ心配すべき問題ではないことは、付け加えておきたい。

### 16-6. 白色矮星への道 — 静かな終焉

地球が飲み込まれるかどうかにかかわらず、太陽自身は、赤色巨星の段階を経た後、外層のガスを穏やかに宇宙空間へ放出し、**惑星状星雲(→BOOK-0093恒星進化第1巻第六章で説明済み)**として輝く時期を経て、最終的には中心に残った、核融合を終えた芯である**白色矮星(→BOOK-0093第六章で説明済み)**になると考えられている。

ここで、→BOOK-0101(天文派生・宇宙論第1巻)第八章で扱った**チャンドラセカール限界(白色矮星が自分の重力を支えきれなくなる質量の上限、およそ太陽質量の1.4倍)**という考え方を思い出しておきたい。太陽が赤色巨星の段階で失う質量を差し引くと、最終的に白色矮星として残る芯の質量は、太陽の現在の質量よりもずっと小さく、太陽質量のおよそ**0.5倍から0.6倍程度**になると見積もられている。この値は、チャンドラセカール限界(1.4太陽質量)を大きく下回っているため、太陽は、→BOOK-0101で扱ったIa型超新星のような激しい爆発を起こすことなく、静かに白色矮星として、非常にゆっくりと冷えていく末路をたどると予測されている。太陽がIa型超新星になるためには、連星系の相手から物質を奪い取り続けてチャンドラセカール限界に達する必要があるが、太陽は(今のところ確認されている限り)そのような伴星を持たない単独の恒星であるため、この道筋をたどることはないと考えられている。

### 16-7. 太陽系の最終的な姿

はるか未来、白色矮星となった太陽は、新たなエネルギー源を持たないまま、何十億年、何百億年という途方もない時間をかけて、ゆっくりと冷えて暗くなっていく。理論的には、白色矮星がすべてのエネルギーを失い、光を発しなくなった状態を**黒色矮星(こくしょくわいせい、水準六: 白色矮星が完全に冷え切った、理論上の最終段階)**と呼ぶが、白色矮星が冷えきるまでにかかる時間は、宇宙が誕生してから現在まで(138億年、→BOOK-0101宇宙論第1巻)よりもさらに長いと見積もられているため、現在の宇宙には、黒色矮星と呼べるほど冷え切った天体はまだ一つも存在しないと考えられている。太陽もまた、気の遠くなるような未来まで、白色矮星としてかすかに輝き続けることになるだろう。

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## 休憩所⑯: まとめ箱 — 第十六章のポイント

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太陽は主系列星として現在46億歳、寿命は約100億年(→BOOK-0093)

→ 老化に伴い中心部の温度・密度が上がり、じわじわ明るくなり続ける(将来予測は

確立した恒星進化理論に基づく推定であり、断定的な予言ではない)

赤色巨星化: 中心の水素を使い果たすと膨張・赤色化(→BOOK-0093第六章のプロセス)

検算: シュレーダー&スミス(2008年)研究の最大半径256R☉≈1.19天文単位

単純な軌道拡大計算(質量放出0.67倍→軌道1.49天文単位)だけなら地球は逃げられそうだが、

同研究は潮汐・摩擦効果まで含め「地球は飲み込まれる可能性が高い」と結論(約76億年後)

→ 地球脱出説もあり完全な一致はない、精密計算ほど悲観的な結論に傾く

白色矮星化: 残る芯の質量は太陽の0.5〜0.6倍程度、

→BOOK-0101のチャンドラセカール限界(1.4太陽質量)を大きく下回るためIa型超新星にはならない

→ 静かに冷えていく末路(黒色矮星化には宇宙年齢138億年より長い時間が必要、現存しない)

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# 第四部 三つの伝記をつなぐ — 比較と総合

## 第十七章: 太陽系形成の全体像 — 月・火星・太陽をひとつの物語につなぐ

### 17-1. 星雲説の歴史 — 18世紀の哲学者が描いた素朴な直感

ここまで、月(第一部)・火星(第二部)・太陽(第三部)という3つの天体の誕生を、それぞれ別々の章で見てきた。しかし、この3つの誕生は、実際にはすべて、たった一つの原始太陽系円盤という「同じ現場」で、ほぼ同時並行的に進んでいた、一つながりの出来事である。本章では、この3つの物語を一つに編み直し、太陽系全体の形成という、より広い視野から振り返ってみたい。

太陽系が、回転するガスの円盤から生まれたという基本的なアイデアそのものは、実は驚くほど古くから提唱されている。18世紀、ドイツの哲学者**イマヌエル・カント**と、フランスの数学者・天文学者**ピエール=シモン・ラプラス**は、それぞれほぼ独立に、太陽系が回転するガス雲の収縮から生まれたとする**星雲説(せいうんせつ、水準三: 太陽系が、回転する一つのガス雲(星雲)の重力収縮によって形成されたとする、太陽系起源論の基本的な考え方)**を提唱した。当時はまだ望遠鏡の性能も理論的な裏付けも乏しく、多分に哲学的な思弁の域を出ないものではあったが、「太陽系は最初からバラバラに存在していたのではなく、一つの回転するガス雲から一体的に生まれた」という基本的な直感は、現代の原始太陽系円盤モデル(→第十二章12-1)にそのまま受け継がれている。

### 17-2. 温度勾配とスノーライン — なぜ内側は岩石、外側はガス・氷なのか

原始太陽系円盤の中には、中心の原始太陽に近いほど高温、遠いほど低温という、明確な**温度勾配(おんどこうばい、水準四: 場所によって温度が連続的に変化していくこと)**があった。この温度勾配が、後にできる惑星たちの材料を大きく左右することになる。

円盤の中で、ある程度以上の距離より外側になると、水が氷として存在できるほど温度が下がる。この境界を**スノーライン(雪線、水準四: 原始太陽系円盤の中で、水が氷として固体化できるようになる温度の境界線)**と呼ぶ。スノーラインよりも内側(太陽に近い高温領域)では、水はすべて気体のまま存在し、固体として集積できる材料は、鉄やケイ酸塩といった、融点の高い岩石質の物質に限られる。これが、水星・金星・地球・火星という、本書で扱う天体を含む**地球型惑星(岩石質で比較的小型)**が、いずれもスノーラインより内側で形成された理由である。一方、スノーラインより外側では、水の氷そのものが豊富な固体材料として使えるため、より大量の材料を素早く集めることができ、木星や土星のような、ガスや氷を主成分とする巨大な**木星型惑星**が形成されたと考えられている(→BOOK-0024天文学第1冊の太陽系の地図とも整合する枠組みである)。

つまり、第六章で見た「火星がなぜ岩石質の小さな惑星なのか」という問いへの答えの一部は、そもそも火星がスノーラインより内側、岩石質の材料しか手に入らない領域で生まれた天体だから、ということに行き着く。

### 17-3. 微惑星から原始惑星へ — 「勝者総取り」の成長競争

円盤内のちりが集まって、キロメートル程度の大きさの微惑星ができ始めると、その後の成長過程には、大きく2つの段階があると考えられている。まず、比較的小さな微惑星同士が、重力的な引き寄せ合い(重力集束、水準五: 質量の大きい天体ほど、周囲の小天体をより強く引き寄せて衝突・合体しやすくなる効果)によって、雪だるま式に大きくなっていく**暴走成長(ぼうそうせいちょう、水準五: 周囲よりわずかに大きい微惑星が、その重力の強さゆえに、周囲の材料をより有利に独り占めしながら急速に成長していく段階)**という段階がある。

暴走成長がある程度進むと、成長した天体同士が互いの重力で軌道を乱し合うようになり、成長速度は緩やかになる(**寡占成長、かせんせいちょう、水準五**と呼ばれる段階)。この段階を経て、火星ほどの大きさから地球ほどの大きさに至る、**原始惑星(げんしわくせい、水準四: 惑星になる一歩手前の、月から火星程度の大きさを持つ天体)**が複数形成される。

第六章で見たように、火星はこの原始惑星の段階で成長が止まってしまった、いわば「大きくなりきれなかった原始惑星」であると考えられている。これに対し、地球や金星は、複数の原始惑星がその後もさらに衝突・合体を繰り返し、現在の大きさにまで成長を続けた天体である。

### 17-4. 巨大衝突の時代 — 月の物語が生まれた文脈

第一章で見たジャイアント・インパクト説は、実はこの「複数の原始惑星が衝突・合体を繰り返して惑星へと成長していく」という、地球型惑星の形成過程の、いわば「最終段階の総仕上げ」の出来事として位置づけられる。太陽系が誕生してから数千万年から1億年ほどの間、内側の太陽系では、火星程度の大きさを持つ複数の原始惑星が、互いに軌道を乱しながら衝突を繰り返す、荒々しい時代が続いていたと考えられている。地球とテイアの衝突(月の誕生)は、この時代の中でもとりわけ規模の大きな一つの衝突だったと理解することができる。

これに対して火星は、この荒々しい衝突の時代を、大きな合体を経験しないまま切り抜けた(あるいは、そもそもこの衝突の輪に加わるだけの近くに他の原始惑星がいなかった)天体だと考えられる。同じ時代・同じ太陽系の中で、地球は巨大衝突を経験して月という伴星を得て、火星は衝突を経験せずに小さいまま成長を終えた、という対比は、太陽系の歴史における一つの分かれ道として興味深い。

### 17-5. 太陽が生まれたのと「同時」に何が起きていたか — 統合年表

ここで、これまでの3つの部で見てきた年代の数値を、一つの年表に統合してみよう。太陽系の年齢(CAIの年代、→第十二章12-4)を基準点(0年)とすると、

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0年(約45億6700万年前): 太陽系形成の基準点(隕石中のCAIの年代、第十二章12-4)

この頃、太陽自身もすでに前主系列星として収縮を始めていたと考えられる

約200万年後: 火星が現在の半分程度の大きさまで急成長(第六章6-2)

ほぼ同じ頃、他の地球型惑星の原始惑星たちも成長を続けていた

約5000万〜1億1000万年後: 地球にジャイアント・インパクトが起き、月が形成される(第一章)

太陽はこの頃までにすでに主系列星として核融合を開始していたと考えられる

約4億〜7億年後(41億〜38億年前ごろ): 後期重爆撃期(仮説、第二章)

火星の水の証拠(バレーネットワーク等)もこの前後の時代に対応(第七章)

約17億年後(39億〜31億年前ごろ): 月の海(マリア)を作った火山活動(第三章)

現在(約45億6700万年後、太陽系年齢にして約46億年):

月は地質学的に静穏、火星は乾燥した薄い大気の惑星、太陽は主系列星として安定期の半ば

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こうして年表を並べてみると、月・火星・太陽という3つの天体が、まったく別々の独立した物語ではなく、同じ一つの太陽系という「現場」の中で、それぞれ異なる質量・異なる位置・異なる巡り合わせによって、まったく異なる運命をたどっていった、3本の異なる糸であることが見えてくる。

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## 休憩所⑰: まとめ箱 — 第十七章のポイント

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星雲説(18世紀、カント&ラプラスが独立に提唱) = 太陽系は回転するガス雲から生まれたとする考え方

現代の原始太陽系円盤モデルの原型

スノーライン(温度勾配による氷の境界)より内側=岩石質の地球型惑星(火星含む)

外側=ガス・氷主体の木星型惑星、という材料の違いが惑星の性格を決めた

微惑星→暴走成長→寡占成長→原始惑星、という段階的な成長プロセス

火星=原始惑星の段階で成長停止/地球=衝突合体を経て成長継続、という対比

統合年表: 太陽系形成(0年)→火星急成長(200万年後)→月形成(5000万〜1億1000万年後)

→後期重爆撃期(4〜7億年後)→月の海形成(17億年後)→現在(46億年後)

→ 3天体は同じ太陽系という現場で異なる運命をたどった3本の糸

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## 第十八章: 三天体を比較する — 数値で読み解く「似ているようで違う」理由

### 18-1. 比較表 — まず数値を並べてみる

ここまで個別に見てきた月・火星・太陽(および比較対象としての地球)の主要な物理量を、一つの表にまとめて並べてみよう。数値を横に並べることで、それぞれの天体の個性が、より鮮明に浮かび上がってくる。

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月 火星 地球 太陽

質量 7.342×10²²kg 6.417×10²³kg 5.972×10²⁴kg 1.989×10³⁰kg

半径 1737km 3390km 6371km 69万5700km

太陽/地球からの距離 38万4400km(地球から) 1.524天文単位 1天文単位 (基準点)

脱出速度 秒速2.4km 秒速5.0km 秒速11.2km 秒速618km(参考値)

全球磁場 現在は実質なし 現在はなし あり(現役) 複雑な磁場活動あり

大気 実質なし 極めて希薄(地表約6hPa) 濃い(約1013hPa) ガスの塊そのもの

地震学的手法 月震学(第四章) 火震学(第十章) 地震学(参考) 日震学(第十四章)

核の状態 内核固体+外核液体(第四章) ほぼ全体が液体(第十章) 内核固体+外核液体 プラズマ(核融合中)

表面地質活動 ほぼ静穏(第五章) ほぼ静穏(現在) 活発(プレート運動) 該当なし(恒星)

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### 18-2. 脱出速度という「運命の分かれ道」

本書の中で繰り返し登場した脱出速度という数値を、あらためて並べて見てみよう。月(秒速2.4km)、火星(秒速5.0km)、地球(秒速11.2km)という3つの値は、単なる数字の違いではなく、それぞれの天体が「大気を持てるかどうか」という運命を決定づけた、重要な分かれ道だった。

月は脱出速度があまりに小さいため、たとえ過去に大気を持っていたとしても、気体分子の熱運動だけで簡単に宇宙へ逃げ出してしまい、大気をほとんど保持できない(→第四章4-4)。火星は、脱出速度こそ月よりは大きいものの、第九章で見たように、磁場を失って太陽風による剥ぎ取りにさらされたことで、時間をかけて大気を失っていった。地球は、火星よりもさらに大きな脱出速度を持ち、かつ現在も磁場を維持しているため、濃い大気を保持し続けている。この3つの天体を並べることで、「大気を保持できるかどうか」は、単に重力の強さ(脱出速度)だけでなく、磁場の有無という要因とも組み合わさって決まる、という本書全体の重要な論点が、より立体的に理解できるようになる。

### 18-3. 磁場の有無という、もう一つの分かれ道

磁場についても、3天体を比較すると興味深い対比が見えてくる。地球は、現在も核内部のダイナモ作用が活発に働き続けており、全球的な磁場を維持している。火星は、第六章・第九章で見たように、誕生初期には磁場を持っていたが、核が比較的早く冷えてダイナモ作用を停止し、現在では地殻に残る「化石磁気」の記録以外、全球的な磁場を持たない。

月については、本書では詳しく扱わなかったが、月の岩石にも、ごく弱いながら過去の磁場の痕跡が残されていることが知られており、月も誕生初期の一時期には、何らかの弱い磁場を持っていた可能性が指摘されている(ただし、その磁場がどのような仕組みで、どれくらいの期間維持されていたのかについては、月の核が非常に小さいことと考え合わせると、火星以上に不確かで、なお研究が続いている未確定なテーマである)。いずれにしても、現在の月には、火星と同様、全球的な磁場は存在しない。

こうして並べてみると、「天体がどれだけ長く磁場を維持できるか」は、おおむね天体の大きさ(核がどれだけ大きく、熱をゆっくり失うか)と関係していることが見えてくる。地球>火星>月という質量の順序は、そのまま磁場を維持できた期間の長さの順序ともおおむね対応している。

### 18-4. 「地震学ファミリー」という手法の連続性

本書で繰り返し登場した、もう一つの重要な観測手法が、揺れの伝わり方から内部を推定する地震学的な手法である。月震学(第四章)、火震学(第十章)、日震学(第十四章)という3つの手法は、対象とする天体の中身(岩石か、プラズマか)も、規模も、まったく異なるにもかかわらず、「波の伝わり方の変化から、直接見えない内部を透視する」という基本的な発想は、驚くほど共通している。

この3つの「地震学ファミリー」を比較すると、それぞれの天体で得られた結果の違いも興味深い。月では、地震計を4地点に設置しただけの限られた観測網から、8年近くかけてじっくりデータを蓄積し、後年の再解析でようやく内核・外核の構造にたどりついた(→第四章)。火星では、たった1地点の地震計であっても、たまたま核を通り抜けるように発生した2つの火震という幸運によって、核の構造にたどりつくことができた(→第十章)。そして太陽では、そもそも地震計を「設置」することさえできないため、太陽表面のガス自体の振動を、ドップラー効果を通じて間接的に観測するという、まったく異なる技術的な工夫が必要だった(→第十四章)。同じ観測哲学を持ちながら、それぞれの天体の性質に合わせてまったく異なる技術的な実装が必要になる、という点も、この「地震学ファミリー」を比較することで見えてくる、興味深い教訓である。

### 18-5. 「どこまで踏み込めたか」という観測の深さの違い

最後に、月・火星・太陽という3天体について、私たちがどこまで「直接的に」踏み込んだ観測を行えているかを比較しておこう。月は、アポロ計画によって実際に人類が降り立ち、試料を直接持ち帰ることができた、もっとも「踏み込んだ」観測が行われている天体である。火星は、複数の探査車が実際に地表を走り回り、その場観測(→第八章8-4)を行っているが、試料を地球に持ち帰る計画(サンプルリターン、→第十一章11-4)はまだ実現していない。そして太陽は、探査機を送り込んで着陸させることはもちろん、近づくことさえ極めて困難な天体であり、私たちは光・ニュートリノ・太陽風の粒子といった、太陽から「向こうからやってくる」情報だけを頼りに、内部の様子を推理し続けている。

この「直接踏み込めた度合い」の違いは、それぞれの天体について私たちがどれだけ確信を持って語れるかにも、そのまま反映されている。月の年代や組成についての結論は、実際の試料分析に基づく、比較的確度の高いものが多い。火星の水の歴史についての結論は、地形・鉱物・その場観測を組み合わせた、相応に確度の高いものだが、生命の痕跡のような一部の問いについては、なお慎重な扱いが必要である(→第十一章11-3)。そして太陽の内部構造や核融合反応についての結論は、直接触れることのできない対象であるにもかかわらず、日震学とニュートリノ観測という、極めて洗練された間接的な手法の積み重ねによって、驚くほど高い確度で理解されている。「直接触れられるかどうか」と「どれだけ確信を持って語れるか」は、必ずしも単純に比例するわけではない、という点も、本書を通じて伝えたい、観測科学の奥深さの一つである。

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## 休憩所⑱: まとめ箱 — 第十八章のポイント

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比較表(質量・半径・脱出速度・磁場・大気・地震学的手法・核の状態)を通じて、

月・火星・地球・太陽の個性が浮かび上がる

脱出速度(月2.4km/s<火星5.0km/s<地球11.2km/s)= 大気を保持できるかの分かれ道の一つ

磁場の有無(地球=あり、火星=消失、月=実質なし)= 天体の大きさ・冷え方と関係

地震学ファミリー(月震学・火震学・日震学)= 同じ観測哲学、異なる技術的実装

月:4地点・8年蓄積/火星:1地点・2つの火震の幸運/太陽:表面振動のドップラー観測

観測の深さの違い: 月(試料回収)>火星(その場観測、サンプルリターンは計画段階)

>太陽(直接接触不可、間接手法のみ)。「踏み込めた度合い」と「確信の度合い」は必ずしも比例しない

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## 第十九章: 終章 — 観測手法から読み解く太陽系天体史

### 19-1. 本書を貫いた観測手法の総ざらい

本書の一枚要約(冒頭)で述べたとおり、本書のねらいは、月・火星・太陽という3天体の年代記を語るだけでなく、それぞれの結論を支えている観測手法そのものを、読者が自分の道具として持ち帰れるようにすることにあった。ここで、本書全体に登場した観測手法を、一度棚卸ししてみよう。

**同位体を使った年代測定・起源推定**(第一章・第六章・第十二章): 放射性同位体の半減期という「一定の速さで進む時計」を岩石に埋め込まれた状態で読み取ることで、月の形成年代、火星の急成長、太陽系そのものの年齢(CAIの年代)を求める手法。酸素やチタンなどの同位体比の「指紋」を比較することで、天体同士の起源のつながりを調べる手法も、この仲間である。

**クレーター年代学**(第二章・第七章): 天体表面のクレーター密度から、地形の相対的な古さを推定し、放射年代測定による較正と組み合わせて絶対年代の物差しにする手法。月で確立され、火星の時代区分(ノアキアン・ヘスペリアン・アマゾニアン)にも応用された。

**探査機の軌道追跡による重力測定**(第三章): 探査機の速度のわずかな変化(ドップラー効果)から、天体内部の質量分布(密度の偏り)を推定する手法。月の地殻の厚さの非対称性の発見に用いられた。

**地震学ファミリー**(第四章・第十章・第十四章、そして第十八章18-4でまとめて比較): 揺れ(月震・火震)や、天体表面の周期的な振動(太陽の日震)の伝わり方を分析し、直接見ることのできない内部構造を透視する手法。

**分光観測(軌道上・その場)**(第八章): 光を波長ごとに分解して反射スペクトルを分析し、天体表面の鉱物組成を推定する手法(→BOOK-0019で扱った望遠鏡による分光観測の考え方の延長)。探査車に搭載した装置による、その場でのX線回折分析(第八章8-4)も、この仲間に含めて理解できる。

**その場探査(ローバー・着陸機による直接分析)**(第八章・第十一章): 探査車・着陸機が対象に直接触れ、あるいはごく近距離から分析する手法。軌道上からの広域観測と組み合わせることで、狙いを定めた深い分析を可能にする。

**素粒子(ニュートリノ)観測**(第十四章): ほとんど物質と相互作用しないニュートリノを検出することで、天体内部で「今この瞬間」起きている反応を、ほぼリアルタイムで知る手法。

**レーザー測距**(第五章): 天体に設置された反射鏡にレーザー光を送り、その往復時間から距離をミリメートル単位で測る手法。

### 19-2. 「見えないものを、間接的な手がかりから読む」という共通の哲学

こうして並べてみると、これらの手法はどれも、細部の技術こそまったく異なるものの、根底にある発想は驚くほど共通していることに気づく。それは、**対象を直接見たり触れたりできない、あるいは直接見えている部分がすべてではないときに、間接的な物理量の変化(波の伝わり方、光の波長、探査機の速度、放射性同位体の比率)を精密に測定し、そこから逆算して「見えない実体」を推理する**という哲学である。

この哲学は、天文学という学問そのものの本質にも通じている。→BOOK-0024(天文学第1冊)の「はじめに」で述べられていたように、天文学者は星に触れることも、太陽をビーカーに入れることもできない。届いた光(あるいは波、あるいは粒子)という間接的な手がかりだけから、天体の正体を推理する営みこそが、天文学という学問の核心である。月・火星・太陽という、比較的「手の届く」3天体についてさえ、私たちの理解の大部分は、この間接的な推理の積み重ねによって支えられている。まして、→BOOK-0093やBOOK-0101で扱われた、はるか彼方の恒星や宇宙全体について語られる理論は、なおのこと、この間接的な推理の精度と誠実さに支えられているのである。

### 19-3. 科学は更新される — 「訂正できること」の強さ

本書の中で、たびたび「当初の推定が、後の研究で修正された」という事例が登場したことに気づいた読者もいるだろう。火星の核の半径は、2021年の初期推定(約1800〜1850km)から、2023年ごろの再解析で約1650〜1700kmへと下方修正された(第十章10-2)。月と地球の同位体組成が「似すぎている」という事実は、単純なジャイアント・インパクトモデルへの反例として、シネスティアというより複雑なモデルを生み出すきっかけになった(第一章1-5)。太陽が赤色巨星化した際に地球が生き残れるかという問いも、単純な軌道拡大の計算だけを見た時代の楽観的な見立てから、摩擦や潮汐相互作用まで含めた近年の詳細な計算によって、より悲観的な結論へと変化してきた(第十六章16-5)。

このような「訂正」は、科学が信頼できない証拠ではなく、むしろ科学が正しく機能している証拠として理解するべきものである。新しいデータや、より精密な解析手法が登場するたびに、それまでの推定値を臆せず見直し、より確からしい結論へと近づいていくという営みそのものが、科学という方法論の強さである。本書が随所で「諸説ある」「未確定である」「研究途上である」という表現を使ってきたのも、こうした訂正の可能性を最初から織り込んだ、誠実な書き方を心がけた結果である。

### 19-4. 読者へ — 次に探査ミッションのニュースを読むとき

本書を読み終えた読者が、今後、月・火星・太陽をはじめとする天体の探査に関するニュースや、研究発表を目にしたとき、次のような点に注目してみると、そのニュースをより深く読み解けるはずである。

第一に、**その結論はどんな観測装置・観測手法によって得られたものか**を確認する。分光観測による推定なのか、その場観測による直接分析なのか、地震学的な間接推定なのか、あるいは複数の手法を組み合わせた結論なのかによって、その結論がどれくらい確からしいものかの見立ても変わってくる。

第二に、**その結論は「観測された事実」なのか、それとも「観測結果を説明するための解釈・モデル」なのか**を区別する。たとえば「粘土鉱物が見つかった」というのは観測された事実だが、「その粘土鉱物ができた環境は生命に適していたかもしれない」というのは、そこから導かれる一つの解釈である。

第三に、**その分野で、他にどんな競合する説が存在するか**を意識する。後期重爆撃期が「本物の集中豪雨」なのか「サンプリングの偏り」なのか(第二章)、火星が小さいままだった理由(第六章)、月の裏側に海が少ない理由(第三章)など、本書で扱った多くのテーマには、複数の仮説が競合している。ある一つの説だけが紹介されているニュースを見たときは、「他にどんな説があるのだろうか」と考えてみる姿勢が、科学的な報道を読み解くうえで役に立つ。

第四に、特に生命探査に関する報道では、**「生命が見つかった」という表現と、「生命の存在に適した過去の環境の証拠が見つかった」あるいは「潜在的なバイオシグネチャーが見つかった」という表現の違い**に注意を払ってほしい。第十一章で見たチェヤバ・フォールズの事例のように、科学者自身が慎重に選んでいる言葉遣いの違いには、重要な意味が込められている。

### 19-5. 未解決のまま残された問い

本書を通じて、月・火星・太陽についての多くのことが分かっている一方で、まだ決着のついていない問いも数多く残されていることを、正直に振り返っておきたい。

月については、ジャイアント・インパクトの詳細な条件と、地球・月の同位体組成が似すぎている問題(第一章)、後期重爆撃期が本物の集中豪雨だったかどうか(第二章)、月の裏側に海が少ない根本原因(第三章)、ごく最近の断層地形の成因(第五章)が、なお研究途上である。

火星については、火星が小さいまま成長を止めた根本原因(第六章)、暗い若い太陽のパラドックス(第六章)、火星の核に含まれる軽元素の正体(第十章)、そしてチェヤバ・フォールズのレオパードスポットが生命由来かどうか(第十一章)が、未解決のまま残されている。

太陽については、太陽の中心核が表面より速く自転している理由の詳細(第十四章)、そして太陽が赤色巨星化した際に地球が本当に飲み込まれるのかどうかという論争(第十六章)が、なお研究が続いているテーマである。

これらの「まだ分からないこと」のリストは、決して本書の弱点ではなく、むしろこの分野が今なお活発に研究が進められている、生きた科学であることの証拠である。読者の中から、こうした問いの答えを将来見つけ出す研究者が現れることを、期待したい。

### 19-6. 次巻予告

本書では、月・火星・太陽という3天体に絞り込んで、その伝記を詳しく追いかけた。次巻では、本書では扱いきれなかった、木星・土星をはじめとする巨大惑星とその衛星たち(氷の下に海を持つ可能性が指摘されている衛星も含む)、太陽系の外側に広がる小天体の領域、そして系外惑星の観測手法(本書で扱った分光観測やその場観測の考え方が、どこまで系外惑星にも応用できるのか)といった、さらに広い視野へと歩みを進めていく予定である。

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## 休憩所⑲: まとめ箱 — 第十九章のポイント

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本書を貫いた観測手法: 同位体年代測定・クレーター年代学・重力測定(ドップラー)・

地震学ファミリー(月震・火震・日震)・分光観測・その場探査・ニュートリノ観測・レーザー測距

→ 共通哲学:「見えないものを間接的な手がかりから読む」

科学は更新される(火星核半径の下方修正・シネスティアモデルの登場・地球飲込み論争の変遷)

→ 訂正できることが科学の弱点ではなく強さ

読者への実践的な視点: ①観測手法の確認 ②事実と解釈の区別 ③競合する説の意識

④「生命発見」と「生命に適した環境の証拠」の表現の違いへの注意

未解決の問い(月・火星・太陽それぞれに複数)を正直に列挙し、次巻へつなぐ

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## 結びの物語 — 夜空を見上げるとき、私たちはすでに「行ったことがある」

入口の物語で述べたように、月・火星・太陽は、天文学の中でも特別な位置にある天体である。望遠鏡で遠くから眺めるだけでなく、実際に足を踏み入れ、試料を持ち帰り、車輪の跡を残し、内部の粒子を捕まえることができた天体だからである。

本書を通じてたどってきたのは、月が巨大な衝突から生まれ、分化と重爆撃を経て、静かな海を湛え、そして今は潮汐に縛られた静穏な天体になったという物語、火星が驚くほど速く生まれ、かつては水にあふれていたにもかかわらず、磁場を失って乾いた惑星へと姿を変え、それでもなお生命の手がかりを探し続けられている物語、そして太陽が原始太陽系円盤の重力収縮から生まれ、いまも核融合という静かな爆発を燃やし続けながら、はるかな将来には赤色巨星、そして白色矮星へと姿を変えていく物語だった。

これら3つの物語に共通しているのは、いずれも「直接見ることのできないものを、間接的な手がかりから読み解く」という、観測科学の営みによって支えられているという点である。アポロ宇宙飛行士が持ち帰った岩石の中の同位体比、火星の赤い大地に刻まれた三角州の地層、太陽から地球まで届くニュートリノという幽霊のような素粒子——これらはすべて、私たちがまだ直接見ることのできない過去や内部を教えてくれる、静かなメッセンジャーである。

次に夜空を見上げ、月を眺め、赤く輝く火星を探し、あるいは(専用のフィルターを通して)太陽を観察するとき、読者はもう、ただ美しい光を眺めているだけの観察者ではないはずだ。その光の向こうにある、ジャイアント・インパクトの記憶、かつて水が流れた乾いた谷、そして中心部で今この瞬間も進行している核融合反応という、それぞれの天体が背負ってきた壮大な伝記までも、思い描くことができるようになっているはずである。そしてそれこそが、本書が目指した「実際の観測データや探査ミッションの報告を、自分で解釈できる土台」の、何よりの成果だと言えるだろう。

次巻では、本書で名前だけ触れた木星・土星をはじめとする巨大惑星とその衛星たち、そして太陽系の外に広がる系外惑星の世界へと、歩みを進めていく予定である。

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## 出典・参照

本文は確立された天文学・惑星科学の基礎知識に基づき、自分の言葉で構成した(外部サイトの文章転載は行っていない)。年号・数値・研究内容は、以下の確立された事実および査読済み研究に基づいて記載し、未確定な論点は本文中で明記した。

**月について**

- アポロ計画(1969〜1972年)による試料回収、酸素同位体比の地球との類似性は、月科学において広く確立された観測事実。

- 月の形成年代(カルシウム・マグネシウム同位体分析、太陽系形成から5000万〜1億1000万年後): Cameron, A. et al.(2023)『Communications Earth & Environment』誌掲載研究に基づく。

- 火星の急成長(ハフニウム・タングステン同位体分析、太陽系形成後約200万年): Dauphas, N. & Pourmand, A.(2011)『Nature』誌掲載研究に基づく。

- 月の核構造(固体内核・液体外核・部分融解層)の推定: Weber, R. C. et al.(2011)『Science』誌掲載のアポロ地震データ再解析研究に基づく。

- 月の重力マッピング(地殻の非対称性): NASAグレイル計画(2011〜2012年運用)の公表結果に基づく。

- 火星の含水鉱物(フィロケイ酸塩)発見: Bibring, J-P. et al.(2005・2006年)『Science』『Nature』誌に掲載されたマーズ・エクスプレス搭載OMEGA分光計の観測結果に基づく。

**火星について**

- MAVEN探査機による大気散逸速度(通常時毎秒約100g、太陽嵐時毎秒2kg超)の実測値: NASA・全米地球物理学連合による2015年公表資料に基づく。

- インサイト着陸機による火星核の推定(初期値約1800〜1850km、2023年ごろの再解析で約1650〜1700kmへ改訂): Stähler, S. C. et al.(2021)『Science』誌、および同チームによる後続の再解析研究(2023年ごろ、チューリッヒ工科大学等の公表資料)に基づく。

- キュリオシティのCheMinによる粘土鉱物確認(2013年): NASA公表資料に基づく。

- パーサヴィアランスによるジェゼロ・クレーターの三角州確認・有機物検出(2022年試料採取): NASA・『Science』誌掲載研究に基づく。

- チェヤバ・フォールズの「潜在的バイオシグネチャー」(2024年発見・2025年9月発表): NASA公式発表に基づき、断定を避けた慎重な表現をそのまま踏襲した。

**太陽について**

- 太陽の核融合反応(pp連鎖・CNOサイクル)のエネルギー計算は、核物理学で確立された原子質量・質量欠損の理論に基づく。

- SOHO探査機による日震学の成果(差動回転・タコクライン・g-モード): 欧州宇宙機関・NASA共同運用の公表資料、および2017年のg-モード検出発表に基づく。

- 太陽ニュートリノ問題とその解決(ホームステイク実験・スーパーカミオカンデ・SNO): 2015年ノーベル物理学賞発表資料、および各実験の公表研究に基づく。

- CNOサイクルニュートリノの世界初直接検出(2020年): Borexino Collaboration(2020)『Nature』誌掲載研究に基づく。

- 太陽の将来(赤色巨星化・地球飲み込み論争): Schröder, K-P. & Smith, R. C.(2008)『Monthly Notices of the Royal Astronomical Society』誌掲載研究に基づく。

未確定・研究途上として本文中に明記した論点(後期重爆撃期の実在性、月と地球の同位体組成が似すぎている問題、火星が小さいままだった理由、暗い若い太陽のパラドックス、チェヤバ・フォールズの生物起源・非生物起源の判別、地球が赤色巨星に飲み込まれるかどうかの論争等)については、いずれも複数の学説が競合する、決着のついていないテーマであることを断定せずに記載した。

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> 関連書: →BOOK-0024(天文学第1冊) / →BOOK-0019(望遠鏡と天文観測第1冊) / →BOOK-0093(天文派生・恒星進化第1巻) / →BOOK-0101(天文派生・宇宙論第1巻) / →BOOK-0100(天文派生・銀河第1巻) / →DIC-0010(天文用語辞典)

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# BOOK-0220 天文派生・太陽系天体史 第1巻 — 月・火星・太陽、三つの伝記