【論文4本】土星の衛星から噴き出す氷の粒に、生命の"材料"がそろっていた　地下海を持つ小さな月、エンケラドゥスの正体

土星のまわりを飛んでいた探査機が、ある小さな衛星の南極から噴き出す氷の水しぶきの中へ、わざと突っ込んでいった時期がありました。目的は、その氷の粒を舌の上で転がすように分析機にくぐらせ、中に何が溶けているかを調べることです。

出てきたのは、水素、複雑な有機分子、そしてリンを含む化合物。どれも、地球の生命がエネルギーや体を作るために使っている材料と重なるものでした。今回は、土星の衛星エンケラドゥス(Enceladus)の氷の粒を分析した4本の論文をもとに、氷の下に隠れた海の正体を追いかけます。

エンケラドゥスは直径500kmほどの、月の7分の1ほどしかない小さな天体です。それでも内部には、分厚い氷の殻の下に液体の水をたたえた地下海が広がっているとみられています。NASAの探査機カッシーニは2004年から2017年まで土星系を周回し、この地下海の成分を含む水蒸気と氷の粒の噴出(プルーム)の中を繰り返し通過しました。2017年に水素、2018年に複雑な有機物、2023年にリン酸塩——生命に必要とされる材料が、年を追うごとに一つずつ確認されてきたのです。

なぜ、小さな氷の月に海があるのか

エンケラドゥスは太陽から遠く、表面温度はセ氏マイナス200度前後にもなります。普通に考えれば、内部まで凍りついていてもおかしくありません。それでも液体の水が保たれているとみられる理由として有力視されているのが、潮汐加熱(ちょうせきかねつ)と呼ばれる仕組みです。

エンケラドゥスは楕円軌道で土星のまわりを回っており、土星や他の衛星からの重力が絶えず強さを変えながら働きます。この伸び縮みの繰り返しが、天体の内部を摩擦で温め続ける——ちょうど、ゴムボールを何度も握ってはゆるめてを繰り返すと、内部がじわじわ熱を持つのに近いイメージです。

この仕組みの存在を裏づけたのが、Carolyn C. Porcoらが2006年に『Science』誌で報告した発見でした。カッシーニが2005年に行った接近観測で、エンケラドゥスの南極付近から氷の粒とガスが噴き出している様子を撮影したのです。同じ南極域からは3〜7ギガワットという熱の放出も検出されており、これは地球・木星の衛星イオに次いで、天体内部の熱を外から観測できた3例目の固体天体だったと報告されています。小さな氷の月が、実は内側から温められていることが、ここで初めて明らかになりました。

観測:氷の粒を"通り抜けながら"分析する

カッシーニには、噴き出すガスの成分を調べるイオン・中性粒子質量分析計(INMS)と、飛んでくる微粒子の中身を調べる宇宙塵分析装置(CDA)という2種類の観測機器が搭載されていました。着陸はせず、プルームの中を直接通り抜けながら、その場でガスや氷の粒をとらえて分析する——これがエンケラドゥス観測の基本スタイルです。

Jack H. Waiteらは2017年、INMSが集めたデータを詳しく解析し、プルームの中に水素分子(H₂)が比較的多く含まれていることを『Science』誌で報告しました。続いてFrank Postbergらのグループは、CDAが集めた氷の粒のデータから、2018年には質量の大きな複雑な有機分子を、2023年にはリンを含む化合物(リン酸塩)を、それぞれ『Nature』誌で発表しています。1機の探査機が長年かけて集め続けたデータを、研究チームが少しずつ掘り下げていった成果といえます。

結果:水素・有機物・リン酸塩が、順番に見つかった

まず2017年のWaiteらの報告です。プルーム中の水素の量は、エンケラドゥスの岩石質の核で熱水反応(岩石と水が反応する化学プロセス)が起きていると考えなければ説明がつかないほど多いものでした。地球の深海底の熱水噴出孔と同じように、水と岩石が反応することで水素が生まれ、その水素の量は、地球の熱水噴出孔にすむ微生物が利用しているのと同程度のエネルギー源になりうると報告されています。

次に2018年のPostbergらの報告です。それまでプルームから見つかっていた有機分子は、質量が50(原子質量単位)に満たない小さなものがほとんどでした。ところがCDAのデータを精査すると、質量200を超える大きくて複雑な有機分子が含まれていることが分かりました。炭素・水素・酸素、おそらく窒素も含む原子が数百個単位で結びつき、環状や鎖状の構造を作っているとみられています。地球外の海から噴き出した粒の中に、これほど複雑な有機物が確認されたのは初めてのことでした。

そして2023年のPostbergらの報告です。塩分を多く含む氷の粒の質量分析データと、実験室でエンケラドゥスの海水を再現した実験を組み合わせた結果、リン酸塩(リンを含む化合物)が検出されました。リンは、生命がDNA・RNAや細胞膜を作るのに欠かせない元素でありながら、地球以外の海でこれまで確認されたことがありませんでした。報告によれば、推定されるエンケラドゥスの海水のリン酸塩濃度は、地球の海水よりも少なくとも100倍高いとされています。

水素だけなら偶然の産物かもしれません。しかし水素・複雑な有機物・リンという、生命が使う主要な材料が3種類ともそろって見つかったことで、エンケラドゥスの地下海は「生命が存在できる条件」にかなり近づいているという見方が、研究者の間で強まっています。

なぜこうなるのか:地球の深海とよく似た仕組み

エンケラドゥスで起きているとみられる化学反応は、実は地球の深海底でも起きています。太陽の光がまったく届かない深海の熱水噴出孔(いわゆる「ブラックスモーカー」)の周りには、光合成ではなく化学反応からエネルギーを得る微生物や、それを食べるチューブワームなどの生態系が広がっています。

エンケラドゥスの地下海でも、岩石の核と海水が接する場所で同じような熱水反応が起きていると考えられています。岩石の中の鉱物と水が反応することで水素が生まれ、水素と二酸化炭素からメタンが作られる反応が進みやすい化学的な不均衡(エネルギーの"落差")が生じる——これが、Waiteらの2017年の論文が指摘した核心部分です。地球の深海で微生物がエネルギー源にしているのと、よく似た化学反応が、まったく別の天体の氷の下でも進んでいる可能性があるのです。

この話、こう使える

エンケラドゥスの研究が教えてくれるのは、「生命が存在できそうな場所」のイメージを広げる視点です。地球に似た気候の惑星だけでなく、太陽の光がまったく届かない氷の下にも、化学反応だけでエネルギーと材料がそろう環境がありうる——この発想は、太陽系の他の天体(木星の衛星エウロパなど)を探す際の指針にもなっています。

身近な話に置き換えると、「見た目が条件に合わないから」といって可能性を最初から除外してしまうと、本当に大事な手がかりを見落とすことがある、という教訓にもつながります。宇宙の話に限らず、一見遠い分野のニュースから発想のヒントを得るのも、科学記事を読む楽しみのひとつです。こうした「へぇ」と思える科学ネタをもっと読みたい方はサイエンスラボの記事一覧、気分転換したいときは英語の雑学・豆知識もどうぞ。

注意点:この研究の限界

• 海水そのものを直接採取した値ではない。 2023年のリン酸塩の濃度は、噴き出した氷の粒の質量分析と、実験室での再現実験を組み合わせた推定値です。地下海に探査機や潜水艇を直接入れて測定したわけではありません。
• 観測は間接的な化学分析にとどまる。 カッシーニが行ったのは、プルームを通り抜けながら成分を測定する手法で、サンプルを地球に持ち帰るサンプルリターンではありません。測定できる感度や分子の種類にも限界があります。
• 熱水反応の詳しい条件は推定の域を出ない。 水素の量や化学的な不均衡から熱水反応が示唆されていますが、実際の温度や反応の規模、継続期間までは直接観測できていません。
• 次の検証にはさらなる探査が必要。 生命の痕跡そのものを探すには、より高性能な分析装置を積んだ将来のミッションが必要とされており、現時点では構想・検討段階のものが中心です。

よくある質問

今日の3行まとめ

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参考文献

• Porco, C. C., et al. (2006). Cassini Observes the Active South Pole of Enceladus. Science, 311(5766), 1393–1401. 論文を見る
• Waite, J. H., et al. (2017). Cassini finds molecular hydrogen in the Enceladus plume: Evidence for hydrothermal processes. Science, 356(6334), 155–159. 論文を見る
• Postberg, F., et al. (2018). Macromolecular organic compounds from the depths of Enceladus. Nature, 558, 564–568. 論文を見る
• Postberg, F., et al. (2023). Detection of phosphates originating from Enceladus's ocean. Nature, 618, 489–493. 論文を見る