＜カリフォルニア工科大などの研究チームが発表した新説で、月の起源をめぐる議論は新たなフェーズを迎えるのか。これまでに提唱されてきた由来の研究史とともに概観する＞
今から約45億年前に地球に衝突し、月が誕生するきっかけとなった原始惑星の残骸が地球内部に残っている可能性があるとする新説を、米カリフォルニア工科大などの研究チームが英科学誌「ネイチャー」（11月1日付）に発表しました。
月がどうやって地球の衛星になったのかについては、現在は「ジャイアント・インパクト説」が主流です。地球が約46億年前に形成されてからまもなく、火星とほぼ同じ大きさ（地球の直径の約半分）の原始惑星「テイア」が地球に斜めに衝突し、その破片は地球のマントルの破片とともに地球軌道に飛び散り、後にそれらが合体して月になったとする説です。
けれど、地球に衝突したとされる「テイア」の破片はこれまでに見つかっていません。この説を信じる研究者らは「テイアが地球に残した残骸は、地球内部で高温のために溶解した」などと説明してきましたが、直接の証拠はありませんでした。
今回、研究チームは、「地球全体を見たときに核とマントルの境界で地震波の伝わり方が違う部分があり、それは今でも地球内部に部分的に残っているテイアの残骸と考えられる」と提唱しました。
この研究を機に、月の起源に関する議論は新たなフェーズを迎えるのでしょうか。月の由来の研究史とともに概観しましょう。
「親子説」「兄弟説」「他人説」の欠陥
月は「母惑星（地球）に対して大きすぎる衛星」として知られています。たとえば、火星最大の衛星フォボスの直径は火星の約268分の1、木星最大の衛星ガニメデの直径は木星の約27分の1なのに対して、月の直径は地球の約4分の1です。そこで、月の起源については古来様々な仮説が立てられてきました。
ジャイアント・インパクト説以前は、地球との「親子説」「兄弟説」「他人説」の3説で論争が起きていました。
親子説は、高速で回転していた原始地球の一部がちぎれて月になったとする説で、「分裂説」とも呼ばれています。兄弟説は、太陽系が形成された時に塵の円盤から地球と一緒に形成されたとする説です。他人説は、月は地球とは別の場所で形成されたが後に地球の引力に捕らえられて衛星となったとする説で、「捕獲説」とも呼ばれています。
けれど、親子説では星がちぎれるほどの大きな力学的エネルギーが本当に存在したのかという問題があり、兄弟説や他人説では地球のマントルと月の化学組成がよく似ていることの説明ができません。過去には、月のような大きな天体が地球に捕獲される確率は非常に低いという計算結果も示されました。
さらに、アポロ計画で持ち帰った月の石を分析すると、月の形成初期には月全体が高温のマグマの海（マグマオーシャン）で覆われていたことが分かり、兄弟説や捕獲説はさらに雲行きが怪しくなりました。
そこで「理論的な穴の少ない仮説」として、1946年の発表当時は注目を集めなかった「衝突説」が再び浮上しました。80年代になると、ジャイアント・インパクト説は「月の核（鉄が多い中心部分）が小さいのは、月を形成した破片に地球のマントル（主に岩石成分）が多く含まれていたから」「形成直後の月にも、地球軌道にまだ残っていたテイアや地球マントル由来の破片が多数ぶつかったため、表面が高温になってマグマオーシャンができた」など実際の月の状況と整合性が高い説明がつけられたことから、最有力の説となりました。
ただし、ジャイアント・インパクト説にも弱点があります。数値計算によって地球に火星サイズの天体1個を衝突させて月を形成してみると、月の成分の5分の1は地球由来、残る5分の4は衝突した天体由来になります。けれど、実際の地球と月は構成成分がほぼ同じです。そこで2017年に「地球への天体衝突は複数回起こったため、月の形成における地球成分の寄与がより多い」とする「複数衝突説」が提唱されました。ただし、こちらも証拠を示すには至っていません。
地下2900キロ部分の巨大な塊に注目
今回、「月はジャイアント・インパクトで形成され、衝突したテイアは地球内部に今でも残っている」という説を提唱したチェン・ユアン氏らが注目したのは、アフリカと太平洋の2カ所で地下2900キロ部分に形成されている巨大な塊です。
半径約6400キロの地球の内部構造を「ゆで卵」になぞらえると、①卵の殻にあたる硬い岩石の地殻（地表から５～70キロ）、②白身にあたる高温で柔らかい岩石のマントル（地下2900キロまで）、③黄身にあたる金属でできた核（地下2900～6400キロ）に分けられます。地下2900キロはマントルの最深部にあたります。
地球の深部は実際に掘削してサンプルを取り出すことは困難なため、密度の異なる物質を通過するときに速度や方向が変化する性質を持つ地震波を使って、地球内部の精密な地図が作られてきました。80年代には、南アフリカと太平洋の深部、地球の核とマントルの境界に周囲と地震波の伝わり方が違う、月に匹敵するほどの体積を持つ高密度の物質の塊「LLSVP」(large low-shear-velocity provinces：広域S波低速度領域、LLVPとも呼ばれる）があることが分かりました。この部分は数十億年前から存在しているようですが、起源などの詳細は現在も不明です。
ユアン氏らは「なぜティアの残骸が地球で見つからないのだろうか」と疑問に思い、地下深くに沈み込んだ可能性を考えました。そこで、ジャイアント・インパクト説の数値モデルの研究者たちとともに、テイアの衝突と地球内部の進化のシミュレーションを組み合わせ、テイアの残骸は地球で時間とともにどのように変化するかを計算しました。
その結果、テイアの衝突エネルギーは大半がマントルの上部までにとどまったことが分かりました。つまり、マントル上部ではテイアの構成成分は地球に溶け込みましたが、マントル下部では地球よりも鉄分が多くて重いテイアは地球に混ざらないまま核との境界部分に沈み蓄積されると考えられました。それが固体化したものが、現在もLLSVPとして観測されているとユアン氏は述べています。
地球で確かめるのは困難だが
今回の新説に関する最大の論点は、テイアの衝突は約45億年前なのに、その破片が地球のマントルと混ざって均質化することなく現在まで残り続けるのかという点です。
LLSVPは特異な構造ですが、地球の進化のみでも説明はできます。たとえば、原始地球ではマントルの上部は冷めやすいためにすぐ固まったが、下部はゆっくりと固まったために場所ごとで成分のバラツキができて密度の高い塊とそうでない領域に分化した、などです。
実際に論文発表後、一部の地球科学者たちは「テイアが地球マントル深部に蓄積したのは使用したモデルの問題で、自分たちのシミュレーションではテイアと地球マントルはよく混ざる」と批判しています。
ユアン氏は「海洋島玄武岩など地球深部の岩石が地表に出てきたものや、月内部の岩石を実際に調べれば、テイアの存在を立証できるかもしれない」と話しています。ただし、マントルで作られた海洋島玄武岩は地表に出ると風化や侵食を受け、実際に掘削してサンプルを取り出したくても人類がこれまでに掘った最も深い穴は12キロなので、地球で確かめるのは難しそうです。
もっとも、月のマントルであればテイアが状態良く残されている可能性が高いでしょう。月の地表には、マントル由来と考えられるカンラン石に富む岩体が点在しています。現在、日本初の月面着陸を目指してミッションが進行中の小型月着陸実証機（SLIM）は、世界初の月面ピンポイント着陸に挑みます。成功すれば、今後は月の起源の謎を解くためのサンプリングにも応用されるかもしれませんね。
今から約45億年前に地球に衝突し、月が誕生するきっかけとなった原始惑星の残骸が地球内部に残っている可能性があるとする新説を、米カリフォルニア工科大などの研究チームが英科学誌「ネイチャー」（11月1日付）に発表しました。
月がどうやって地球の衛星になったのかについては、現在は「ジャイアント・インパクト説」が主流です。地球が約46億年前に形成されてからまもなく、火星とほぼ同じ大きさ（地球の直径の約半分）の原始惑星「テイア」が地球に斜めに衝突し、その破片は地球のマントルの破片とともに地球軌道に飛び散り、後にそれらが合体して月になったとする説です。
けれど、地球に衝突したとされる「テイア」の破片はこれまでに見つかっていません。この説を信じる研究者らは「テイアが地球に残した残骸は、地球内部で高温のために溶解した」などと説明してきましたが、直接の証拠はありませんでした。
今回、研究チームは、「地球全体を見たときに核とマントルの境界で地震波の伝わり方が違う部分があり、それは今でも地球内部に部分的に残っているテイアの残骸と考えられる」と提唱しました。
この研究を機に、月の起源に関する議論は新たなフェーズを迎えるのでしょうか。月の由来の研究史とともに概観しましょう。
「親子説」「兄弟説」「他人説」の欠陥
月は「母惑星（地球）に対して大きすぎる衛星」として知られています。たとえば、火星最大の衛星フォボスの直径は火星の約268分の1、木星最大の衛星ガニメデの直径は木星の約27分の1なのに対して、月の直径は地球の約4分の1です。そこで、月の起源については古来様々な仮説が立てられてきました。
ジャイアント・インパクト説以前は、地球との「親子説」「兄弟説」「他人説」の3説で論争が起きていました。
親子説は、高速で回転していた原始地球の一部がちぎれて月になったとする説で、「分裂説」とも呼ばれています。兄弟説は、太陽系が形成された時に塵の円盤から地球と一緒に形成されたとする説です。他人説は、月は地球とは別の場所で形成されたが後に地球の引力に捕らえられて衛星となったとする説で、「捕獲説」とも呼ばれています。
けれど、親子説では星がちぎれるほどの大きな力学的エネルギーが本当に存在したのかという問題があり、兄弟説や他人説では地球のマントルと月の化学組成がよく似ていることの説明ができません。過去には、月のような大きな天体が地球に捕獲される確率は非常に低いという計算結果も示されました。
さらに、アポロ計画で持ち帰った月の石を分析すると、月の形成初期には月全体が高温のマグマの海（マグマオーシャン）で覆われていたことが分かり、兄弟説や捕獲説はさらに雲行きが怪しくなりました。
そこで「理論的な穴の少ない仮説」として、1946年の発表当時は注目を集めなかった「衝突説」が再び浮上しました。80年代になると、ジャイアント・インパクト説は「月の核（鉄が多い中心部分）が小さいのは、月を形成した破片に地球のマントル（主に岩石成分）が多く含まれていたから」「形成直後の月にも、地球軌道にまだ残っていたテイアや地球マントル由来の破片が多数ぶつかったため、表面が高温になってマグマオーシャンができた」など実際の月の状況と整合性が高い説明がつけられたことから、最有力の説となりました。
ただし、ジャイアント・インパクト説にも弱点があります。数値計算によって地球に火星サイズの天体1個を衝突させて月を形成してみると、月の成分の5分の1は地球由来、残る5分の4は衝突した天体由来になります。けれど、実際の地球と月は構成成分がほぼ同じです。そこで2017年に「地球への天体衝突は複数回起こったため、月の形成における地球成分の寄与がより多い」とする「複数衝突説」が提唱されました。ただし、こちらも証拠を示すには至っていません。
地下2900キロ部分の巨大な塊に注目
今回、「月はジャイアント・インパクトで形成され、衝突したテイアは地球内部に今でも残っている」という説を提唱したチェン・ユアン氏らが注目したのは、アフリカと太平洋の2カ所で地下2900キロ部分に形成されている巨大な塊です。
半径約6400キロの地球の内部構造を「ゆで卵」になぞらえると、①卵の殻にあたる硬い岩石の地殻（地表から５～70キロ）、②白身にあたる高温で柔らかい岩石のマントル（地下2900キロまで）、③黄身にあたる金属でできた核（地下2900～6400キロ）に分けられます。地下2900キロはマントルの最深部にあたります。
地球の深部は実際に掘削してサンプルを取り出すことは困難なため、密度の異なる物質を通過するときに速度や方向が変化する性質を持つ地震波を使って、地球内部の精密な地図が作られてきました。80年代には、南アフリカと太平洋の深部、地球の核とマントルの境界に周囲と地震波の伝わり方が違う、月に匹敵するほどの体積を持つ高密度の物質の塊「LLSVP」(large low-shear-velocity provinces：広域S波低速度領域、LLVPとも呼ばれる）があることが分かりました。この部分は数十億年前から存在しているようですが、起源などの詳細は現在も不明です。
ユアン氏らは「なぜティアの残骸が地球で見つからないのだろうか」と疑問に思い、地下深くに沈み込んだ可能性を考えました。そこで、ジャイアント・インパクト説の数値モデルの研究者たちとともに、テイアの衝突と地球内部の進化のシミュレーションを組み合わせ、テイアの残骸は地球で時間とともにどのように変化するかを計算しました。
その結果、テイアの衝突エネルギーは大半がマントルの上部までにとどまったことが分かりました。つまり、マントル上部ではテイアの構成成分は地球に溶け込みましたが、マントル下部では地球よりも鉄分が多くて重いテイアは地球に混ざらないまま核との境界部分に沈み蓄積されると考えられました。それが固体化したものが、現在もLLSVPとして観測されているとユアン氏は述べています。
地球で確かめるのは困難だが
今回の新説に関する最大の論点は、テイアの衝突は約45億年前なのに、その破片が地球のマントルと混ざって均質化することなく現在まで残り続けるのかという点です。
LLSVPは特異な構造ですが、地球の進化のみでも説明はできます。たとえば、原始地球ではマントルの上部は冷めやすいためにすぐ固まったが、下部はゆっくりと固まったために場所ごとで成分のバラツキができて密度の高い塊とそうでない領域に分化した、などです。
実際に論文発表後、一部の地球科学者たちは「テイアが地球マントル深部に蓄積したのは使用したモデルの問題で、自分たちのシミュレーションではテイアと地球マントルはよく混ざる」と批判しています。
ユアン氏は「海洋島玄武岩など地球深部の岩石が地表に出てきたものや、月内部の岩石を実際に調べれば、テイアの存在を立証できるかもしれない」と話しています。ただし、マントルで作られた海洋島玄武岩は地表に出ると風化や侵食を受け、実際に掘削してサンプルを取り出したくても人類がこれまでに掘った最も深い穴は12キロなので、地球で確かめるのは難しそうです。
もっとも、月のマントルであればテイアが状態良く残されている可能性が高いでしょう。月の地表には、マントル由来と考えられるカンラン石に富む岩体が点在しています。現在、日本初の月面着陸を目指してミッションが進行中の小型月着陸実証機（SLIM）は、世界初の月面ピンポイント着陸に挑みます。成功すれば、今後は月の起源の謎を解くためのサンプリングにも応用されるかもしれませんね。