高度なアトムプローブ断層撮影技術を使用した新しい研究により、地球の月の年齢は44億6,000万歳で、これまでの推定よりも4,000万年古いことが判明した。この発見は、アポロ 17 号の月の結晶を分析することによって行われ、月の形成と地球環境への影響についてのより深い理解が得られます。
ノースウェスタン大学の科学者は、アポロ 17 号のミッション中に宇宙飛行士によって収集された月のサンプルの分析に参加しました。科学者たちは、1972 年のアポロ 17 号のミッション中に収集された小さな月の結晶を分析することにより、月の推定年齢を修正しました。これまで月の年齢は44億2,500万年と考えられていたが、新たな分析では月の年齢が約44億6,000万歳で、以前の推定よりも4,000万年古いことが示唆された。
この研究は、フィールド博物館とグラスゴー大学の研究者が主導するノースウェスタン大学の原子検出断層撮影施設によって可能となり、サンプル中の最も古い結晶の年代を「決定」した。月の塵に隠されたこれらのジルコン結晶の年齢を明らかにすることで、研究者らは月の形成の年表をつなぎ合わせることができた。
この研究は最近、Geochemical Perspectives Letters誌に発表されました。
宇宙研究の技術進化
研究共著者の一人であるノースウェスタン大学のディーター・イスハイム氏は、「この研究は、1972年に最後の有人月探査計画が地球に帰還して以来、我々が成し遂げてきた驚異的な技術進歩を証明している」と述べた。 「これらのサンプルは半世紀前に地球に持ち込まれましたが、アトムプローブトモグラフィーなど、必要なレベルの顕微鏡分析を実行するために必要なツールが揃ったのは今日になってからです。」
研究者らは、原子ごとの分析を通じて、ジルコン結晶内の何個の原子が放射性崩壊を起こしたかを計算することができた。原子が崩壊すると陽子と中性子が放出され、さまざまな元素に変化します。たとえば、ウランは崩壊して鉛になります。科学者らはこのプロセスにかかる時間を特定したので、ウラン原子と鉛原子の比率を調べることでサンプルの年齢を評価できるようになりました。
「放射年代測定は砂時計に少し似ています。砂時計では、砂が 1 つのガラス球から別の球に流れ、時間の経過は下の球に砂が蓄積することで表されます。放射年代測定も同様に、親原子の数と、それらが変換される娘原子の数を数えることによって機能します。変換率がわかっているため、時間の経過を計算できます。」
Isheim は、ノースウェスタン大学マコーミック工学部材料科学工学科の准教授であり、ノースウェスタン大学原子プローブ断層撮影センター (NUCAPT) の所長です。マコーミック材料科学工学名誉教授であり、NUCAPT 創設ディレクターである David Seidman 氏も、この研究の共著者です。ヘックは、フィールド博物館の隕石と極地研究のロバート・プリツカーキュレーターであり、ネガウニー・センター・フォー・インタラクティブ・リサーチの上級ディレクターであり、シカゴ大学の教授でもあります。グラスゴー大学のジェニカ・グリア研究准教授は、この研究の筆頭著者である。研究が始まったとき、彼女はヘックの研究室の博士課程の学生でした。
月齢
40億年以上前、太陽系がまだ若く、地球も成長していた頃、火星ほどの大きさの巨大な天体が地球に衝突しました。巨大な塊が地球から砕けて月が形成され、その衝撃のエネルギーで岩石が溶け、最終的に月の表面となりました。
「月の表面がそのように溶けると、ジルコンの結晶は形成できず、生き残ることもできません」とヘック氏は言う。 「したがって、月の表面にある結晶はすべて、月のマグマオーシャンが冷えた後に形成されたに違いありません。そうでなければ、それらは溶けて、その化学的特徴は消去されていたでしょう。」
結晶はマグマオーシャンが冷えた後に形成されたはずなので、ジルコン結晶の年齢を決定することで、月の最小年齢が明らかになります。しかし、月の可能な最大年齢を決定するために、研究者たちはノースウェスタン大学の原子検出断層撮影装置に注目しました。
「アトム・プローブ・トモグラフィーでは、まず集束イオン・ビーム顕微鏡を使用して、非常に優れた鉛筆削りのように、月のサンプルを非常に鋭い先端に削ります」とグリア氏は語った。 「次に、紫外線レーザーを使用して、チップの表面から原子を蒸発させます。原子は質量分析計を通過し、その移動速度から原子の重さがわかり、それによって原子が何でできているかがわかります。」
サンプル内の物質を特定し、放射測定を行った後、研究者らは、最も古い結晶は約44億6,000万年前であると結論付けました。これは、月が少なくともその年齢であることを意味します。
ヘック教授は、月が形成された時期を理解することが重要であると述べ、「月は私たちの惑星系の重要なパートナーです。月は地球の自転軸を安定させます。月が1日24時間である理由であり、潮の干満がある理由です。月がなければ、地球上の生命は認識できないでしょう。月は私たちがより深く理解したい自然システムの一部であり、私たちの研究は全体像に対するパズルの小さなピースを提供します。」と述べました。