そう、月には大気がある。そしてそれは金属そのものだ

学校で月について学ぶとき、一般的には、月の重力は大気を捕らえて保持するには不十分であると教わります。しかし、月は薄くて一時的なガスの輪、つまり外気圏に囲まれています。

この驚くべき事実は、アポロ計画で月を訪れた宇宙飛行士が持っていた機器を使って初めて発見されました。月の重力が弱いため、外気圏を構成する原子は絶えず宇宙空間に流出しています。そのため、月が継続的に存在しているということは、これらの原子の供給が絶えず補充されていることを意味します。

8月2日にサイエンス・アドバンス誌に掲載された新しい研究では、この補充がどのように起こるのかを詳しく調べている。この研究では、化学を学んだ人なら誰でも月の大気中に存在することに驚くかもしれない元素群、アルカリ金属について調べている。

アルカリ金属は周期表の第一グループを形成し、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム（放射能が強いため肉眼で見える量では決して見つからないフランシウムを含む）が含まれます。これらの存在がなぜ意外なのでしょうか？地球上では、ナトリウムが水に触れるとどうなるかという高校の古典的な実験で証明されているように、アルカリ金属は反応性が高いことで有名です。しかし、月では状況はまったく異なります。

論文の筆頭著者であるニコール・ニー教授はポピュラーサイエンス誌に次のように語っている。「月の土壌や岩石では、アルカリ金属は鉱物に結合し、酸素や他の元素と安定した化学結合を形成しています。しかし、表面から放出されると、通常は中性原子になります。[月には]液体の水も実質的な大気も存在しないため、これらの金属は元素の形のままであり、月の大気中の原子の数は非常に少ないため、原子は互いに衝突することなく自由に長距離を移動できます。」

しかし、これはそもそも原子が表面からどのように放出されるのかという疑問を提起する。論文はこの疑問に答えようとしている。具体的には、「宇宙風化」として総称される 3 つのプロセスの相対的な寄与である。これら 3 つのプロセスの共通点は、何かが月の表面に衝突し、アルカリ金属元素が結合している鉱物化合物から叩き出されることである。(これらのプロセスでは他の元素も放出されるが、アルカリ金属は揮発性が高いため、特に簡単に放出される。)

最初のプロセスは微小隕石の衝突で、宇宙ゴミの小さな破片が十分な力で降り注ぎ、月面の小さな部分を蒸発させ、その構成原子を軌道上に打ち上げる。2 番目はイオンスパッタリングで、太陽風によって駆動された荷電粒子が月面に衝突する。そして最後は光子刺激脱離で、太陽からの高エネルギー光子がアルカリ金属を弾き飛ばす。

論文が指摘しているように、各プロセスは十分に特徴付けられているものの、これまでの研究では「それらの [相対的な] 月の大気への寄与を決定的に解明できていない」。これに取り組むために、ニーと彼女のチームは、問題の源泉であるアポロ計画にさかのぼった。1960 年代後半から 70 年代前半にかけて行われたさまざまな有人月面探査ミッションでは、合計 382 kg の月面土壌サンプルが持ち帰られ、数十年経った今でも、これらのサンプルは研究者にその秘密を明らかにし続けている。ニーの研究は、5 つの異なるアポロ ミッションから 10 個のサンプルを調査するもので、その中には、初の有人月面着陸となったアポロ 8 号のサンプルもいくつか含まれている。

研究チームはこれらのサンプルを使用して、土壌中のカリウムとルビジウムのさまざまな同位体の相対的な割合を調べました。（ナトリウムとセシウムはそれぞれ1つの安定同位体しか持たず、リチウムはより重い同位体よりも揮発性が低いです。）ニー氏はポピュラーサイエンス誌に次のように説明しています。「これらのプロセスでは、元素のより軽い同位体が優先的に放出され、月の土壌は比較的重い同位体組成になります。宇宙風化の影響を受ける元素の場合、月の土壌は、プロセスの影響を受けないより深い岩石と比較して、重い同位体組成を示すことが予想されます。」

宇宙風化のプロセスによって同位体の比率が異なり、研究チームの調査結果によると、微小隕石の衝突が月の大気に最も大きく寄与しており、「大気中のカリウム原子の65%以上を占め、残りはイオンスパッタリングによるものと考えられる」という。

これは、数十億年にわたって月の大気がどのように進化してきたかについての貴重な洞察を提供します。その組成はより短い時間スケールでは変化する可能性がありますが、これらの結果は、長期的には微小隕石の衝突が大気の継続的な補充において主要な役割を果たしていることを示唆しています。この研究はまた、火星の2つの衛星の1つであるフォボスなど、月に似た他の物体で同様の研究が行われる可能性があることを示唆しています。