東京大学理学部地球惑星物理学科

Moon

(Apollo 17号による月面探査の様子。写真：NASA提供)
月の起源と進化は、地球の起源と進化を理解する上でどうしても避けて通れない問題です。また、惑星探査をするためには、最も地球に近い星である月にまず行く必要があります。月に行く技術なしに火星や金星に行くことは大変困難です。月は惑星科学、惑星探査において、理学的にも工学的にも通り過ごすことができない天体なのです。

■ 隕石重撃

月を覆うクレーター

[ 図1 ] 月を覆うクレーター。月面に激しい隕石衝突があったことを物語っている。（NASA提供）

月の表面において最も顕著なのは、数多あるクレーターです。クレーターが天体衝突でできたことは、今では常識になっています。しかし、アポロ計画によって月面の詳細な探査が行われるほんの３０年ほど前までは、火山起源説と衝突起源説が拮抗していて結論が出ていませんでした。回収された月の試料に衝突メルトや砕屑礫岩など天体衝突が激しく起こっていた証拠が明らかにされて始めて衝突起源説が決定的になったのです。
また、放射性同位体測定比を用いた正確な年代測定が行われ、衝突メルトの形成年代が３８億から４０億年前に集中していることも分かってきました。つまり、この時代に激しい巨大隕石の衝突（隕石重撃）があったことがわかるわけです。ところが、この３８億年から４０億年という数字は、実は非常に奇妙な数字です。というのは、月が形成されたのは約４５億年前なので、それから５～７億年もの時間がたっているのです。惑星集積の理論計算からは、こんなに長い期間にわたって惑星の集積し残りの微惑星が内側太陽系に留まっていることは非常に難しいという結果が出ています。
また、月形成から５～７億年もの期間にわたって高い頻度での小天体（or 巨大隕石）の衝突が続いたとすると、月の地殻には非常に大量の親鉄性元素（イリジウムや白金など）が隕石によって持ち込まれることになります。
しかし、実際の月の地殻に見つかる親鉄性元素は、この推定よりはるかに低い濃度でしかありません。

この矛盾を解決するために提案されたのが、大地変仮説(Cataclysm)です。これは、以下のようなシナリオです。激しい微惑星の衝突は、月の形成後１億年程度以内に終息し、数億年間静穏な期間が続く。その後再び何らかの原因により小天体の月への衝突頻度が激しい時期（大地変期）を３８～４０億年前に迎える。大地変期が終わった後は、隕石衝突頻度が現在にかなり近い低い値になる。
この仮説を支持する証拠が、ウラン鉛同位体比の測定にも見つかっているため、この仮説を支持する研究者はかなり多くいますが、大地変を引き起こしたメカニズムが不明な点、大地変がなければならないことを示す確固たる地質学的証拠見つかっていないため、未解決問題として残っています。
この３８～４０億年前というのは、地球上に生命が生まれり、大陸が大きく成長した時代であるとも考えられており、この時代に巨大隕石の激しい衝突があったのかどうかは、地球史を理解する上でも非常に重要な問題です。この問題を解決するためには、集積理論のより深い理解と共に、月面のより広範囲の年代測定が必要です。

■ 月の二分性

月のクレーターの火山起源説がが支持された大きな理由の一つは、巨大クレーターにほぼ必ず熔岩流が付随していることでした。この熔岩の溜まった地形は海と呼ばれ、それ以外の場所（高地）と区別されます。しかし、熔岩の海は表側に特に顕著な地形で、地球から見えない裏側や極側にはあまり多く分布していません。裏側や極側には、したがってクレーターばかりがある非常に凹凸の激しい地形が広がっており、表とは全く違った惑星を見ているようです。このような表と裏の大きな違いを、よく月の二分性という言葉で表します。火星にも北半球と南半球に大きな違いがあり、このような二分性は、中型の惑星に比較的普遍的な現象なのかもしれません。

このような表と裏の違いは、地形高度や重力にも現れています。表側の高度はその他の地域に比べて低く、またフリーエア重力異常も大きな正の値を示します。さらに重要なのは、地形高度と重力異常から推算される地殻の厚さが、表と裏では激しく違うことです。表では６０～７０キロ程度の厚さがあるのに対し、裏では１００キロ程度の厚さと推定されています。
この地殻の厚さの違いのため、月では形状中心と質量中心が約２キロもずれています。
このような月の二分性は、月の内部構造の起源と進化の過程に深く結びついているはずです。月の二分性の原因の究明は、今後の月科学の中心的テーマの一つです。その一つの試みは、２００５年に宇宙科学研究所と宇宙開発事業団が共同して打ち上げるセレーネ探査機に搭載されるリレー衛星です。リレー衛星は、これまで数多く行われてきた月探査で、一回も測定されてこなかった月の裏側の重力を測定し、月の裏側の地殻の厚さや海を持たない巨大クレーターの密度構造を明らかにする予定です。

ガリレオ探査機の撮影した２枚の月の写真

[ 図2 ] ガリレオ探査機の撮影した２枚の月の写真。右は地球から見る月に近い画像である。この画像では黒い海が卓越しているのが分かる。また、左端の中央やや下に巨大クレーター「東の海」が見える。左図では、この東の海が中央にくる構図になっており、画像の半分以上が裏側を撮している。ほとんどが白い斜長岩からなる高地で構成され、黒い玄武岩の海が非常に少ないことが分かる。（写真NASA提供）

クレメンタインによる月の地形高度分布図

[ 図3 ] クレメンタインによる月の地形高度分布図。右が表側、左が裏側。NASA/JHU提供

クレメンタインによる月の重力分布図

[ 図4 ] クレメンタインによる月の重力分布図。図は全球をカバーしているが、実際には裏側の重力データには、ほとんど情報が含まれていない。（NASA/JHU提供）

■ 月の内部構造

月面から回収された試料のもたらず化学情報と、周回衛星や月震計がもたらす物理探査情報を総合することによって、月の内部構造の概要が分かってきました。月の最外殻は、斜長岩というアルミやシリコンに富んだ軽い岩石でできた地殻が覆っており、その厚さは６０～１００ｋｍです。その下には地球と同じようなカンラン石や輝石を主体としたマントルがあります。このマントルの部分熔融によって海の玄武岩ができると考えられています。地球ではマントルの内側には、金属核があり、半径の約半分程度を金属核が占めていますが、月にはそのような大きな金属核は見つかっていません。あっても半径の１／４程度ではないかと予想されています。半径では倍しか違いませんが、体積あるいは質量では１桁の違いになります。
つまり、地球と月では惑星の主要構成元素である金属鉄の量が１桁も違うことになります。地球と月が同じ材料物質から作られたとすると、これは非常に大きな問題です。
この問題を解決するには、月の中心核の大きさがどのくらいなのか正確に測定することが最重要課題です。この課題を解決するため、宇宙科学研究所では、Planet-A という探査計画を進めています。Planet-Aでは、アポロ計画では設置できなかった月の裏側に地震計を設置し、月の中心の金属核の大きさを精確に測定する予定です。

■ マグマオーシャン

月の内部構造で触れた斜長岩質の厚い地殻があるという記述は、実は月の起源と進化について重要な情報を含んでいます。それは、月が大規模熔融事件を経験したことを意味するからです。月の地殻は、その９割までが斜長石という鉱物でできていますが、これほど単一の鉱物が大きな割合を占めて惑星地殻を構成するためには、大規模な熔融過程が必要です。また、マントル起源である玄武岩との間にはEuという希土類元素の負の相関が見つかっています。詳細は省きますが、この化学的証拠はマントルと地殻が一つの熔融体から生まれ、その際にEuのやり取りが起きたということを示しているのです。
これら一連の証拠から、月にはかつてマグマの大洋（マグマオーシャン）があったことが明らかになってきました。しかし、惑星の集積理論とその
初期熱史の理論計算を行うと、月のような小さい惑星では、よっぽど急速に集積が起こらない限り微惑星の集積により解放される重力エネルギーは熱放射として宇宙空間に効率よく逃げて行ってしまい、表面が全球的に熔融することは非常に難しいことが分かってきました。この問題を回避するために、月のマグマオーシャンは全球的な熔融ではなく、部分的一時的な熔解の積み重ねによって説明できるという仮説も提案されています。しかし、この仮説にも様々な問題が指摘されていて、全体としては全球熔融説の方が有力視されています。いずれにしても、マグマオーシャン仮説を巡る理論と観測事実の矛盾は非常に重要で、現在の月の科学の最先端の問題となっています。

■ 月の起源

超巨大衝突の想像図

[ 図5 ] 超巨大衝突の想像図。月は、火星と同じくらいの原始惑星が成長最終段階にある地球に衝突して作られたのではないかと考えられている。

マグマオーシャンの存在と共に、月には幾つかの重要な特徴があり、それらは月の起源を考える上で、どうしても説明しなければならない制約条件となっています。

地球・月系は、他の地球型惑星に比べると回転運動量が異常に大きい
月と地球では、酸素同位体比が同じ分別曲線状に載っており、同一の材料物質からできたことを示している。ちなみに火星や小惑星の酸素同位体比は地球の分別曲線には載らない
月は地球に比べ、水やナトリウムなど揮発性物質が圧倒的に少ない
月は地球に比べ、鉄が少ない
月は、その小さいサイズにもかかわらず、いったん全球溶融した

これだけの制約条件が揃うと、それまでに幾つか考えられていた月の起源説をかなり絞り込めるようになりました。月の起源説の主要なものは

共集積説。月と地球は同じ材料物質から同時期に形成した
捕獲説。月と地球は太陽系の別の場所で形成し、月が地球の重力によって捕獲された
分裂説。月は高速回転している地球から分裂して形成した
巨大衝突説。成長途中の地球に他の原始惑星が衝突して月が形成した

金星は、地球とは似てもにつかない表層環境を持っています。その意味です。最初の３つは、アポロ計画で月についての知識が飛躍的に増える前から提案されてきたものですが、上の制約条件が揃うと、どれも正解でないことが明らかになってしまいました。そうした状況を踏まえて提案されたのが、４つ目の巨大衝突説でした。

この巨大衝突説は、地球質量の十分の一程度（火星程度）の大きさの原始惑星が、地球に斜め衝突すると、岩石蒸気からなる周地球円盤が形成され、その円盤から月が形成するというものです。最初の斜め衝突により、非常に大きな角運動量が供給されます。また、周地球円盤には地球由来の物質が多く含まれるために月の酸素同位体は地球のそれと一致することも説明が難しくありません。さらに、岩石蒸気からの集積により揮発性物質の散逸が促されることも期待されます。鉄の欠乏は、周地球円盤には、地球の金属核は参加せず地球マントルと衝突天体物質のみが参加することで定性的には説明が可能です。最後の全球熔融は、周地球円盤上での集積は周太陽軌道上での集積に比べ圧倒的に早いことで問題が解決されます。また、このような巨大が原子惑星の衝突が比較的頻繁に起こりうることも、最近の惑星集積理論の発展によって分かってきました。

このように巨大衝突仮説は、他の仮説が説明不可能であった制約条件をうまく説明することが可能なため、現在多くの科学者から支持されています。しかし、正確な数値シミュレーションで巨大衝突仮説のシナリオを定量的に検証しようとすると、幾つもの問題が見つかってもきました。たとえば、巨大衝突によってできる周地球円盤には、地球のマントル物質は当初予想されていたより少ない量しか参加せず、多くは遠方より来たかもしれない原始惑星の物質が占めることが分かってきました。これでは、酸素同位体比の問題が解決されません。また、巨大衝突で月を月の材料物質はいったん蒸発するから揮発性成分は散逸するという考え方も、それほど単純ではないことも分かってきました。というのは、重力があるので周地球円盤から揮発性成分は簡単には逃げ出すことはできないのです。揮発性成分が逃げ出さないと全て月に取り込まれてしまいますから、地球と同じように水に満ちた惑星ができてもおかしくないことになってしまいます。これらの問題は、現在の月の起源論の中で中心的な課題で、多くの研究者が様々な角度から取り組んでいます。上に述べた月探査計画と連携した取り組みによって近い将来解決され、太陽系の起源と歴史についての新しい知見をもたらしてくれるものと期待されています。