エンケラドゥスの海水プルームが化学的に多様な氷粒となる過程

土星の衛星エンケラドスから噴出する氷粒子が、想定される海洋水よりも遥かに多様な化学組成を持つことが明らかになった。国際研究チームによる新しい実験と分析により、この多様性は地下海から宇宙への移動過程で起きる遅い冷却と塩析出によって生まれることが判明した。

エンケラドスは厚い氷殻の下に液体の海を隠し持ち、南極付近の亀裂から海水が水蒸気と氷粒子のプルームとなって宇宙に放出される。2004年から2017年にかけて、カッシーニ探査機搭載の宇宙塵分析器は土星のE環を供給するこれらの氷粒子の組成を測定した。ベルリン自由大学のフランク・ポストベルク教授らの研究チームは961個の塩分豊富な氷粒子（Type 3粒子）の質量分析データを解析し、同じ海洋に由来するはずの粒子たちが、ナトリウム塩化物、炭酸塩、リン酸塩、塩化カリウムなど異なる塩成分に富んでいることを発見した。特に興味深いのは、塩化物と炭酸塩が同じナトリウム豊富な粒子に共存することが極めて稀だったという点である。

この謎を解くため、東京科学大学のアース・ライフサイエンス研究所の関根康人教授らは、エンケラドスの海洋に存在すると想定される主要な塩成分を含む水滴を用いた実験室実験を行った。異なるサイズの水滴を異なる冷却速度で凍らせ、冷却後の元素分布を調べたところ、冷却速度が重要な役割を果たすことが明らかになった。約200マイクロメートルの水滴が毎分10ケルビン以下のゆっくりした速度で凍ると、塩が空間的に分離した。一方、急速冷却では均一な分布が保たれた。このことから、もともと同じ組成の海水に由来する大きな水滴が遅く凍結すると、異なる塩がその内部で分離する可能性が示唆された。分離した氷粒子がその後破砕されれば、それぞれ異なる化学組成を持つ小さな氷粒子が生成される。

研究チームは、氷粒子がエンケラドスの地表に到達するまでの過程を次のように提唱している。海洋から噴出した水滴は当初、数十から数百マイクロメートルの大きさであり、深部のベント内をゆっくり移動する段階で塩の分離が進む。表面に近づくにつれてガスの流れが加速し、狭まった氷の通路で高速衝突が起き、水滴は破砕される。その結果、異なる塩分に富む断片が生成され、最終的に土星のE環に運ばれるというものである。この発見から、従来の想定とは異なり、海水スプレーは単純に急速凍結して移動するのではなく、亀裂内のより複雑な経路を通じて比較的ゆっくり移動する可能性が指摘されている。

氷粒子のこのような形成過程は、エンケラドスの将来探査に重要な示唆を与える。異なる塩や有機物が断片化によって濃縮され、個々の氷粒子に高い濃度で現れることになる。地球の化学実験室が分析の前にサンプル成分を分離・濃縮するのと同様に、エンケラドスは自然の「サンプル前処理」を行うことになるため、将来の探査機に搭載される計測器にとって、海洋に希釈して混在している化合物を検出することが容易になる可能性がある。また、遅い冷却によって氷結晶の間に濃縮された塩と有機物が閉じ込められることは、生命前化学において重要な希薄な有機分子の濃縮メカニズムとしても意味を持つ。プルーム物質の大部分が月表面に落下する環境では、このプロセスが繰り返される可能性があり、エンケラドスの居住可能性と生命の痕跡を探る上での理解が進むと考えられる。

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