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デイヴィッド・コッペッジ
2024/8/12
居住可能性: 惑星や衛星が生命を宿すには何が必要なのでしょうか？エリック・ヘディンは、長らくNASAの宇宙生物学ミッションの主要なターゲットの一つであった火星の条件を明確にしました。火星への48回のミッションで収集された好ましくない事実により、彼は残念ながら火星における生命の見込みについて水を差す役割を果たすことになりました。私の以前の記事では、タイタンにおける宇宙生物学の見込みについても同様の評価をしました。しかし、土星を公転する別の魅力的な天体があります。それはエンケラドゥスという小さな衛星です。エンケラドゥスは、アイオワ州やアリゾナ州とほぼ同じくらいの幅があり、宇宙生物学者たちが生命の源泉だと思い描いている一連の間欠泉を抱えています。内部は暖かい可能性が高く、氷の地殻の下には海があり、いくつかの鉱物も利用できるとすれば、ここは生命に富んだ場所となり得るのでしょうか？
これらの間欠泉は、宇宙船にとって都合の良い持ち帰り実験を提供してくれます。すなわち、噴出する粒子を収集し、その地下で何が起こっているのかを知るのです。その実験の史上初の試みは、私が1997年から2011年まで務めていたカッシーニミッション中に成功しました。カッシーニの科学者たちは、土星系の他のどの部分とも同じほどの大きな注目を、エンケラドゥスに寄せていました。1980年代初頭、ボイジャー1号と2号は、エンケラドゥスが太陽系で最も明るい天体であり、受けた太陽光のほぼ全てを反射していることを示しました。これは、表面が常に新しい氷で覆い直されていることを示唆していました。そこでは「氷の火山」が噴火しているのでしょうか？そして、土星のEリングの最も密度の高い部分が、なぜエンケラドゥスの軌道と一致するのでしょうか？その現実は、皆の大胆な想像をはるかに超えて、人々を驚かせることになったのです。
発見の興奮
2005年7月15日、私はカッシーニの指導的な科学者たちと共に部屋にいました。カッシーニがエンケラドゥスに3度目のフライバイ (E0、E1、E2などとラベル付けされていた) を行った際に、そこから届く最初の画像を見るためです。2月17日に行われた1,260kmでの最初の遠距離通過 (E0) の際、カッシーニの磁力計は、この小さな衛星の周囲の磁力線に乱れがあることに気づきました。何かがそこで起こっていたのです。それは何だったのでしょうか？ある画像には噴火の可能性が示されていましたが、科学者たちはそれが画像処理上のアーティファクトである可能性を排除できませんでした。3月9日のE1における497kmからのより近い画像も決定的ではありませんでした。ただし、ボイジャー2号が1981年に112,000kmという遠距離から検出した衝突クレーターを切り開くいくつかの氷の流れを、はるかに詳細に見ることができました。しかし、まだ決定的証拠はありませんでした・・・。その後、2005年7月14日のE2の間に、わずか166kmの距離から、間欠泉プルームが検出されたのです！画像処理により、エンケラドゥスから急速に噴出する水蒸気プルームの明確な証拠が示されました。さらに奇妙なことに、その物質は全て一方の側、南極から噴出していました！
この発見は、地球上で報道の熱狂を巻き起こしました。さらなる情報を得るため、ミッション計画者たちは直ちに、より多くのエンケラドゥスへのフライバイを含めるよう飛行計画を変更することに着手しました。彼らはさらに大胆にも、探査機を間欠泉プルームの中へ送り込みました。そうすることで、きらめくゴミ箱のように奇妙に見えますがはるかに精巧な宇宙塵分析器 (CDA) が、質量分析計で分析するためのサンプルを採取できるようにしたのです。2017年にカッシーニミッションが終了したときには、JPLはエンケラドゥスに23回接近し、中には地表からわずか50km (31マイル) まで近づいたこともありました。その間に、探査機にある全ての科学機器から膨大かつ前例のないデータが取得されました。8億マイル離れた場所から時速32,000マイルもの速度で飛行して、移動する目標にこれほど接近することができたミッション航行士たちには、拍手を送るべきでしょう！彼らは、ヨハネス・ケプラーとアイザック・ニュートンによって最初に解明された天体力学の法則を用いて、そうすることができたのです。
結果と成果
カッシーニは、約100個の間欠泉が時速1,360マイル (マッハ5～10) もの速度で水蒸気を宇宙に噴出していることを発見しました。プルームに含まれる氷の粒子の多くは脱出速度を超えており、この小さな衛星が土星の周りに幅広く拡散しているEリングを産み出していることを証明しました。いくつかの粒子は弾道経路をたどってエンケラドゥスに戻り、地表 (および近隣のいくつかの衛星) を新鮮な氷の「塗料」で覆い、結果としてアルベドが高くなっています。そして非常に予想外だったのは、全ての間欠泉が南極の平行な亀裂から噴出していました。そこに何が起こっているかを知る前、ミッション科学者たちはその見た目からこれらの亀裂を「タイガーストライプ」と呼びました。それらは長さ約80マイル、幅約1マイルの深い亀裂または峡谷であり、その衛星の最も暖かい部分であることが判明しました。亀裂からは非常に多くの物質が噴出し、その両側に沿って高さ300フィートの氷の山を築き上げています。ほとんどの惑星科学者たちは、これらの亀裂が地下海に達しており、潮汐加熱によるエネルギーが粒子を亀裂から宇宙へと押し出していると信じています。
この衛星から出てくるものは驚嘆に値します。エンケラドゥスは毎秒79ガロン (約300リットル) の水を噴出し、これはわずか数時間でオリンピック用の競泳プールを満たすのに十分な量です。この噴出はほぼ連続的で、1980年から1981年にかけて2機のボイジャー探査機から推測されたのですが、53年後の今も続いていることが知られています。2004年にカッシーニ探査機が土星に接近した際、科学者たちはEリングから来る酸素を大量に検出しました。これは後にエンケラドゥスからの大規模な噴出によるものであると証明されています。そして昨年、2023年5月30日には、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡がエンケラドゥスで「驚くほど大きなプルーム」を検出し、Space.com によるとその長さは6,000マイル (約9,600km) ありました。もし噴出がこの衛星の生涯を通して、平均300 kg/sの割合で続いていたとしたら、これまでに現在の質量の150倍以上を噴出したことになります。カッシーニは、タイガーストライプで15.8ギガワットもの熱出力を測定しました。これはイエローストーン国立公園の全ての温泉の熱出力の2.6倍です。近くを公転するミマスは静かなのに、このような小さな衛星がなぜこれほど大規模な活動を維持できるのかは、依然として謎です。潮汐摩擦が十分な熱源であると主張する論文も、それを否定する論文も見たことがあります。
宇宙生物学と居住可能性
「水を追え」というモットーに駆られたNASAの宇宙生物学者たちは、エウロパやエンケラドゥスにおける生命探査の理由として、水の存在と液体の海の可能性に焦点を当てがちです。エンケラドゥスについてのニュース記事で、「生命」という言葉 (L-word) を伴わないものを見つけるのは困難です。しかし、私がタイタンの記事で議論したように、そして最近マイケル・デントンが『Evolution News』で説明したように、生命には水といくつかの一般的な分子よりもはるかに多くのものが要求されます。
プルームを4回通過した後、カッシーニの観測機器は粒子の特性を決定することができました。91パーセントが水であり、残りの9パーセントは二酸化炭素、塩、アンモニア、メタンなどの他の物質で、微量のケイ酸塩や、もしかしたらリンのような鉱物も含まれていました。これがエンケラドゥスの居住可能性についての私たちの議論につながります。ここでは、私がタイタンについて挙げたのと同じ要因を共有したいと思います。
磁場。エンケラドゥスは土星の磁気圏内に十分に位置しているため、有害な太陽放射への暴露は穏やかなレベルにあるとはいえ、一部の銀河宇宙線や磁気圏内のエネルギー荷電粒子が地表に衝突することはあります。
温度。表面温度は-330°F (-201°C) ですが、氷の地殻の下30～40kmにある地下海には、生命にとって適した温度であることが示唆されています。
大気。語るに値する大気がないため、推定される生物学的活動はその海に限定されるでしょう。同じ理由から、エンケラドゥスの天候は論題にならず、宇宙生物学者たちはその地表を生命の生息地とは考えていません。
内部構造。測定された密度に基づくと、エンケラドゥスはケイ酸塩と氷の核を持っています。私たちが知る限り、生命に必要な鉄やその他の重元素が不足している可能性が高いでしょう。
水。この衛星には固体および恐らく液体の形でH2Oが豊富に存在しますが、塩分濃度が高いと思われ、これが生体高分子の形成を阻害する可能性があります。
炭素。間欠泉プルームからCO2が検出され、その約3.2パーセントを占めていました。さらに、1.6パーセントのメタン (CH4) が検出されたほか、アセチレンやプロパンのような他の炭化水素も検出されました。HCNのような一部の炭素-窒素化合物や、アミン (R-NH2化合物)、アンモニア (NH3) の可能性があるものも検出されましたが、その量は1パーセント未満でした (出典)。
元素組成。エンケラドゥスの水以外の分子の貯蔵状態を特徴づけるのは大変でしたが、紫外線撮像サブシステム (UVIS)、イオン・中性質量分析計 (INMS)、CDAの各観測機器は塩分を検出しました。これは塩化ナトリウム (NaCl) や、恐らくカリウム (K) があることを示唆しています。2023年には、プルームのデータからリンが検出されたという主張が発表され、宇宙生物学者たちを興奮させました。なぜならリンは地球上の全ての生物にとって核酸や代謝タンパク質に不可欠な元素であり、生物学の制限要因となり得るからです。その他の元素は隕石によって運ばれるかもしれませんが、必要な場所である深さ30kmの地下海まで到達する可能性は極めて低いでしょう。
宇宙生物学者たちはエンケラドゥスでのアミノ酸形成の可能性について自負していますが、検出された元素 (C、H、O、N、Na、P) 以外の元素が不足していることは、生命の信憑性を著しく制限しています。地球上で最も単純な微生物でさえ、一般的なCHON元素とPに加えて、代謝酵素や補因子としてS、Fe、Mn、Ni、Zn、Cu、Coを必要とします。私の以前の記事で引用したキャサリン・ネイシュが言うには、「タイタンは太陽系で最も有機物に富んだ氷衛星であり、もしその地表下の海が居住可能でないなら、他の既知の氷の世界の居住可能性にとって良い兆候にはならないであろう」。水、塩、メタン、アンモニア、シアン化物からなる生命を思い描けないのであれば、エンケラドゥスでの生命の可能性についての興奮は、あまりにも誇張されているように思われます。水と塩を除けば、他の必要な分子は、冷たい塩水の中では存在しても濃度は法外に低いでしょう。
いいから、とにかく盛り上がろう
これによって、(地球上の) アミノ酸鎖が打ち上げられて、エンケラドゥスのプルームで見られる圧力を通過して生存できるかどうかを調べる装置を開発した、シュトゥットガルト大学の研究者たちのような宇宙生物学者たちの熱意が抑えられるようなことはありません。
『Science Advances』に論文を発表したある研究チームは、宇宙生物学コミュニティに対し、間欠泉の噴出口から放出される単一の氷粒の中から、「その氷粒に含まれるものが1つの細胞よりはるかに少なかったとしても」、細菌に相当するものが検出されうると保証しました。
宇宙生物学が外惑星へのミッションのための資金を確保し続けるのは、それはそれで構いません。エンケラドゥスで生命が発見される可能性は極めて低いでしょう。新たなデータは、地球上には豊富に存在する生命にとっての極めて狭い条件を、さらに限定することになる可能性が最も高いでしょう。それはインテリジェントデザインの推進者たちにとって有益な知識となるはずです。しかし、宇宙生物学者たちが証拠を手にするまでは、私は (宇宙生物学 (アストロバイオロジー) の) 文字を並べ替えて、生物占星術 (バイオアストロジー) と呼びたいと思います。
