地球の中心核から希ガスが漏れ出している。これは惑星の誕生の手がかりとなるのだろうか？

今週発表された研究によると、太陽系の初期の高温の段階で地球が形成された際、地球の中心核に珍しい形態のヘリウムがあふれた可能性がある。地球深部に閉じ込められたヘリウムやその他のガスを測定すれば、地球や他の惑星がどのように形成されたかに関する重要な手がかりが得られる可能性がある。新しいモデルが正しければ、地球は科学者がこれまで想定していたよりも急速に誕生した可能性がある。

地球がどのように形成されたかという正確な過程は、いまだに「未解決の問題」だと、ニューメキシコ大学の地球化学者で、地球化学、地球物理学、地球システム誌に掲載された論文の著者であるザカリー・シャープ氏は言う。通常、科学者は、原始地球や初期の太陽系の他の惑星は、塵が蓄積して次第に大きな塊に固まりながら形成されたと考えている、と同氏は言う。しかし、地球深部に閉じ込められた太古のヘリウムは、別の物語を示唆している可能性がある。

その物語を解明する鍵は、ヘリウム3と呼ばれる希少同位体です。ヘリウム原子には、ヘリウム3とヘリウム4という2種類があり、質量は中性子1個分異なります。ヘリウム4は、地球上でより重い元素の放射性崩壊によって形成されますが、地球上のヘリウム3の供給量は限られており、形成されたときに地球に閉じ込められていたとシャープ氏は言います。この太古のヘリウム3は、地球上のヘリウム全体の1パーセント未満のわずかな割合を占めています。毎年、地中深くから漏れ出るヘリウム3はごくわずかで、そのガスは誕生日用の風船約50個分にしか満たないとシャープ氏は言います。

初期の太陽系には太陽系星雲と呼ばれる太陽中心のガスと塵の雲があったが、ほとんどの研究者はこれが100万年か200万年で消滅したと考えている、とシャープ氏は言う。何十年もの間、天文学者たちは星雲の塵の粒子が凝集してより大きな粒子になったと説明してきた。これがどんどん大きくなり、数マイルにも及ぶ物体となり、それが「バンパーカーのように」互いに衝突し、最終的に惑星サイズにまで膨れ上がったとシャープ氏は言う。

しかしシャープ氏と共著者のピーター・オルソン氏は、地球やその他の惑星の誕生について長らく議論されてきた別の説に新たなモデルを提唱した。それは、太陽系が「原始太陽系星雲の存在下で急速に形成された」という説である。太陽系の外縁部全体から、小石ほどの小さな塊が太陽に向かって流れ込んできた。その後、原始惑星が太陽の周りを回るにつれて、原始惑星はこれらの小石を拾い上げ、質量を急速に増やしていった。原始太陽系星雲が消滅して数百万年後ではなく、原始太陽系星雲がまだ存在していた約200万年の間に。

このより速いシナリオでは、地球の重力が太陽系星雲から濃く、分厚く、高温の大気を引き寄せていたはずだ。地球は高温で、その表面には「マグマの海」があったはずだとシャープ氏は言う。

このような状況では、大気中のガスはマグマの海に溶け込む。シャープ氏はこの現象をソーダ缶の中に例え、高圧によって炭酸ガスがソーダ缶の中に押し出される様子に例える。そして、ソーダ缶を開けたままにしておくと炭酸が抜けるのと同じように、周囲の圧力がなくなると、大気中のガスが徐々に放出される。

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シャープ氏によると、彼とオルソン氏は、高圧大気下で大量のヘリウムがマグマの海に押し込まれたため、ヘリウムは最終的に地球全体に混ざり、地球の金属核に閉じ込められるだろうと認識していたという。

研究者たちは、ヘリウムは核からマントルまでずっと上昇し、プレートが引き離される中央海嶺から「地球からにじみ出る」と考えている。このヘリウムはハワイ、イエローストーン、アイスランドなどの「ホットスポット」からも出てくる。そこではマグマの噴煙が地中深くから上がってくる、とシャープ氏は言う。ヘリウムは非常に軽いため、大気圏の高いところまで上昇し、宇宙に消えてしまう。ヘリウム3がこのようにして逃げ出すと、地球が徐々に形成されていき、ガスが核に閉じ込められるようになった理由を説明するのが難しくなる、とシャープ氏は言う。

「彼らのモデルが正しければ、地球は太陽系星雲ガス（水素とヘリウム）の存在下で形成されたということになる」と、この研究には関わっていないサンタクルーズ大学の惑星科学者フランシス・ニモ氏は言う。つまり、地球は科学者が現在考えているよりも早く形成されたに違いない、とニモ氏は言う。

ニモ氏は、初期の太陽系と原始地球の状態について「論文は多くの仮定を立てなければならない」と指摘するが、それは他の研究者が今後の研究で調査し、分析する可能性が高い。例えば、シャープ氏とオルソン氏が地球のマグマオーシャン内で起こったと示唆しているように、高温高圧下でヘリウムが金属に溶解するのがいかに容易であるかを示す実験的証拠をさらに集めるかもしれない。

この研究が地球の形成について教えてくれることは、宇宙の他の場所にある恒星や太陽系外惑星の探査にも関係するだろうとシャープ氏は言う。おそらく他の太陽系の惑星も、若い恒星の周りのガスの育成領域で急速に形成されたのだろう。