要約:
科学者たちは、火星の内部にこれまで認識されていなかった大きな温度差がある可能性があることを発見しました。南半球の地下深部の温度は北半球よりも摂氏 200 ～ 400 度高い可能性があり、南半球のマントルの一部は部分的に溶けた状態にある可能性があります。この発見は、火星の表面における北半球と南半球の間の長年にわたる巨大な地質学的差異を説明する新たな手がかりを提供するだけでなく、科学者が火星の初期の磁場、水循環、地質進化の歴史を再理解するのにも役立つ可能性がある。
この研究は、カリフォルニア工科大学の卒業生であるアレクサンダー・バーン氏が主導しました。バーン氏は、カリフォルニア工科大学の博士課程の学生として、惑星の重力の小さな変化を利用して惑星の内部構造を推測する方法を開発し、アリゾナ大学の博士研究員に移った。研究結果は、2026 年 8 月 26 日に雑誌「Nature」に掲載されました。
火星の最も顕著な特徴の 1 つは、北半球と南半球の非常に明らかな違いです。南半球は高原、山地、密集した古代の衝突クレーターによって占められており、全体的な地表の標高はより高くなります。北半球は主に、低地で平坦な比較的若い平原で構成されています。科学者たちは「地殻二分法」として知られるこの現象について長い間知っていましたが、この大きな違いが正確にどのようにして形成されるのかについては満足のいく説明がありませんでした。
最新の研究によると、この南北の差は火星の表面にとどまらず、火星の深部まで広がっている可能性があります。研究者らは、火星の内部の重力変化の分析を通じて、南半球の地下の内部構造は北半球とは熱的性質も大きく異なり、その温度は摂氏200度から400度高い可能性があることを発見した。
この結果を得るために、研究者らは従来の火星の地震観測に頼らず、「潮汐トモグラフィー」と呼ばれる方法を使用しました。基本的な考え方は医療用CTスキャンと似ていますが、スキャン対象は人体ではなく火星全体です。
太陽の重力は火星に作用し続けます。火星の軌道はわずかに楕円形であり、その回転軸が傾いているため、太陽が火星に及ぼす潮汐効果は時間の経過とともに変化します。火星には地球の海洋のように大きく波打つ液体の水はありませんが、それでも惑星全体は非常にわずかな伸縮と変形にさらされます。
火星の内部の温度と物質の状態は、この変形に影響します。冷たくて硬い岩石は変形しにくいですが、熱くて柔らかい岩石や部分的に溶けた岩石は、潮汐力による変化の影響を受けやすくなります。したがって、潮汐の作用下での火星の小さな反応を正確に測定できれば、地下物質の状態や温度を推測することができます。
問題は、この変形が小さすぎて直接観察できないことです。しかし、火星が変形すると、その重力場も非常に弱い変化を生じ、火星を周回する検出器は、自身の速度の微妙な変化を通じて、この重力の違いを間接的に記録することができます。
そこで研究チームは、1996 年に打ち上げられたマーズ グローバル サーベイヤー、2001 年に打ち上げられたマーズ オデッセイ、2005 年に打ち上げられたマーズ レコネッサンス オービターを含む複数の火星探査機によって数十年にわたって蓄積された無線追跡データを取得しました。研究者らは、長期運用中のこれらの探査機の速度における小さな重力の摂動を分析することで、火星の地球の変化を再構築しました。時間の経過に伴う重力場。
これらのデータに対して「潮汐トモグラフィー」分析を行った後、研究者らは最終的に火星の内部の三次元構造のモデルを取得し、北半球と南半球の地下には重大な熱的非対称性があることを発見しました。
この発見は、火星の他の 2 つの長年の謎も説明するかもしれません。
最初の謎は火星の磁場に関連しています。現在の火星には地球のような強力な全球磁場は存在しませんが、火星の南半球の古代の地殻には非常に強い局所磁化の痕跡が保存されています。これらの磁気異常は、火星に地球規模の磁場が初期に存在した痕跡であると考えられており、また、火星がかつて地球規模の磁場を発生させることができる発電機機構を備えていたことも意味します。
火星の南半球にはこのような磁化された地殻が豊富にありますが、北半球には同様の構造が著しく欠けており、この違いは長い間不可解でした。火星の南半球のマントルが全く異なる熱履歴を持っているのであれば、火星の古代の磁気記録が北側と南側でこのように非対称な分布を示している理由の説明に役立つかもしれない。
2 番目の謎は、NASA InSight ミッションに由来します。インサイトに搭載された地震計は火星の内部を継続的に観測し続けています。研究者らは、地震波が火星の南部地域で伝播するとき、エネルギー損失率が北部地域よりも大幅に高いことを発見しました。
高温の岩石は一般に低温の岩石よりも柔らかく、地震波エネルギーを吸収しやすいです。南半球の地下に実際に高温のマントル、または部分的に溶けたマントルが存在する場合、この環境は、以前に InSight によって観測された地震波の異常な減衰を説明できる可能性があります。
これは、これまで無関係に見えた火星のいくつかの謎、つまり北半球と南半球の地質学的違い、南半球の異常な磁化、南半球の地震波の減衰の速さなどはすべて、火星の南半球の下のより熱くてより柔らかい内部という同じ隠れた要因を示している可能性があることを意味します。
研究者らはまた、この結果が火星の過去の水環境に関連している可能性があると考えています。火星の北半球と南半球の地形の大きな違いは、今日の地表の景観を決定するだけでなく、古代の盆地の形成や火星の表面での水の流れと集まり方にも影響を与える可能性があります。この南北の違いを理解することは、科学者が火星の過去の水がどこから来たのか、どこから流れてきたのか、そしてどの地域に長い間液体の水があった可能性があるのかをさらに追跡するのに役立ちます。
これは、火星が過去に生命に適した環境であったかどうかを調べるのにも意味があります。火星は初期には、より厚い大気、より温暖な気候、そして大量の地表水があった可能性があり、これらの条件は火星の内部の地質活動と密接に関連しています。北半球と南半球で地下の熱構造が形成された時期と原因が特定できれば、火星がより活発で居住可能な可能性のある若い惑星から現在の寒くて乾燥した世界に至るまでの段階的な進化のプロセスをさらに再構築できる可能性がある。
しかし、研究者たちは、火星の南半球の内部がなぜあれほど暑いのかという最も重要な疑問にまだ答えることができていない。
少なくともいくつかの考えられる説明があります。可能性の 1 つは、火星の初期に大規模な衝突イベントが発生したということです。火星に衝突した巨大な物体は、火星の内部の熱構造を変化させ、北半球に巨大な低地盆地を形成し、今日見られる北半球と南半球の違いを引き起こした可能性がある。
もう 1 つの可能性は、かつて火星のマントルで非対称な内部対流が発生したということです。惑星内の熱い物質は上昇し、冷えた物質は沈みます。この対流プロセスは、常に完全な対称性を維持するとは限りません。火星の南半球のマントルが特殊な対流構造を長期間維持すると、さらに熱が蓄積し続ける可能性がある。
3 番目の可能性は、地下物質の組成に関連しています。放射性元素が豊富な地質構造が南半球の深部に存在する場合、これらの元素は長期崩壊中に熱を放出し続け、地下地域を異常に高温に保つ可能性があります。同時に、上部に熱の放出を妨げる厚い地質構造がある場合、熱は地下に長期間閉じ込められる可能性があります。
決定的な証拠はまだ得られていない。研究者らは、次のステップは、より多くの地震データ、重力データ、火星の地表地質データを組み合わせて、この熱異常が火星の歴史のどの段階で形成されたのか、またそれが南北の地形の二分法と同時に現れたかどうかをさらに解明することだと述べた。
この研究は、検出データの長期蓄積の価値も示しています。マーズ グローバル サーベイヤーは 1996 年に打ち上げられ、2006 年に任務を終了しましたが、その年に収集されたデータは、火星の内部構造に関する最先端の疑問を解決するために今でも使用できます。数十年前の観測を再分析することにより、研究者たちはミッション設計段階では予想できなかったかもしれない新しい科学的結果を獲得しました。
火星の南半球の地下に大規模な高温領域、さらには部分的に溶融した領域があることが将来さらに確認できれば、火星の内部はこれまで考えられていたよりもはるかに不均一であることを意味することになる。この一見「死んだ」惑星の場合、その深部には依然として大きな熱力学的差異が隠されている可能性があり、摂氏200度から400度というこの温度の謎は、火星の形成、進化、古代の居住可能な環境を理解するための重要な鍵となる可能性がある。
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