エウロパの部分分化と木星系物質の起源への示唆

学術的背景

エウロパ（Europa）は木星の氷衛星の一つであり、長い間、太陽系内で地球外生命が存在する可能性が最も高い候補天体の一つと考えられてきました。その表面は厚い氷層に覆われており、その下には液体の水の海が存在する可能性があります。エウロパの内部構造と進化の歴史は、その居住可能性を理解する上で極めて重要です。しかし、ガリレオ探査機（Galileo mission）がエウロパの重力場と磁場に関する貴重なデータを提供したにもかかわらず、その内部構造の詳細についてはまだ多くの不確実性が残っています。特に、コアの分化の度合い、氷殻の厚さ、海の深さ、そしてマントルの組成などの問題が挙げられます。

以前の研究では、ガリレオ探査機の重力データに基づき、エウロパが分化した金属コアを持つ可能性が示唆されていました。しかし、最近の分析によると、エウロパの重力場データはその内部が部分的に分化している可能性を支持しており、エウロパが明確な金属コアを完全に分化させていない可能性を示しています。この発見は、エウロパの形成と進化の過程に関する新たな疑問を引き起こしています：エウロパは本当に完全に分化したのか？その内部の熱進化の過程はどのようなものだったのか？これらの疑問は、エウロパの居住可能性を評価する上で直接的な影響を及ぼします。

これらの問題を解決するため、研究者たちは地球物理学、地球化学、および熱進化モデルを組み合わせ、ガリレオ探査機のデータを再分析し、エウロパの内部構造とその進化の歴史を明らかにしようと試みました。さらに、研究ではエウロパの形成物質の起源、特に木星系の初期物質分布との関係についても探求しています。

論文の出典

この論文は、Flavio Petricca、Julie C. Castillo-Rogez、Antonio Genova、Mohit Melwani Daswani、Marshall J. Styczinski、Corey J. Cochrane、そしてSteven D. Vanceによって共同執筆されました。著者らは、米国カリフォルニア工科大学ジェット推進研究所（Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology）、イタリアのローマ大学機械・航空宇宙工学科（Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Sapienza University of Rome）、そしてBlue Marble宇宙科学研究所（Blue Marble Space Institute of Science）に所属しています。論文は2024年12月11日に『Nature Astronomy』誌にオンライン掲載され、DOIは10.1038/s41550-024-02469-4です。

研究のプロセス

1. データ収集と重力場分析

研究者らはまず、ガリレオ探査機のラジオサイエンスデータ、特にエウロパの重力場データを再分析しました。ベイジアン反転（Bayesian inversion）とマルコフ連鎖モンテカルロ法（MCMC）を用いて、エウロパの内部構造モデルを生成しました。これらのモデルは、エウロパの質量と慣性モーメント（MOI）に基づいており、地球物理学および地球化学的制約と組み合わされています。

2. 内部構造モデリング

研究者らは、エウロパの内部構造を多層モデルとして仮定し、金属コア、岩石マントル、海、そして氷殻を含むモデルを作成しました。MCMC法を用いて、コア半径、コア密度、海の深さ、氷殻の厚さなどのパラメータの可能な範囲を探索しました。マントルの構造をより正確に記述するため、研究者らはマントルを50の等間隔のサブレイヤーに分割し、Perple_Xソフトウェアを使用して各サブレイヤーの圧力、温度、密度を計算しました。

3. 熱進化モデル

エウロパの熱進化の歴史を理解するため、研究者らは熱伝導モデルを開発し、放射性崩壊と潮汐加熱（tidal heating）を主要な熱源として考慮しました。モデルでは、エウロパが形成後に冷たい降着（cold accretion）を経験したと仮定し、岩石マントルの熱進化過程を追跡することで、エウロパ内部の温度変化をシミュレーションしました。

4. 金属コア分化の可能性

研究者らはまた、エウロパの金属コア分化の可能性についても探求しました。鉄-硫化鉄（Fe-FeS）合金の融点と、異なる圧力および温度条件での融解体積を計算することで、金属コア分化の条件を評価しました。その結果、エウロパ内部の高温領域は限られており、金属コアが完全に分化することは難しいことが示されました。

主な結果

1. エウロパの内部構造

研究結果によると、エウロパの内部構造は部分的に分化している可能性があり、金属コアが小さいか存在しないことを示唆しています。最新のMOIデータに基づくと、エウロパのコア半径は49から269キロメートルの範囲であり、以前の推定値である425キロメートルよりもはるかに小さいことがわかりました。この発見は、エウロパの冷たい進化の仮説と一致しています。

2. マントルの組成

研究者らは、エウロパの岩石マントルの密度が低く、約2,750 kg/m³であることを発見しました。異なる炭素質コンドライト（CV、CI、CM）および彗星物質（67P/Churyumov-Gerasimenkoなど）との比較を通じて、エウロパの主要な構成物質がCV型コンドライトである可能性が示されました。

3. 水の含有量

研究によると、エウロパの水の質量分率は7.4±1.3%と推定され、以前の予想範囲（7.0-9.0%）と一致しています。これは、エウロパの水が外部源（例えば彗星）から供給された可能性を示唆しています。

4. 熱進化

熱進化モデルによると、エウロパの内部温度は低く、金属コア分化の温度条件（>1,600 K）はその進化過程で完全には達成されていませんでした。カリウムの浸出（leaching）は、エウロパの内部加熱プロセスをさらに制限しました。

結論と意義

この研究は、エウロパの内部構造とその進化の歴史、特にその部分分化の特徴を明らかにしました。研究結果は、エウロパが冷たい進化を経験し、金属コアが小さいか存在しない可能性を示しています。さらに、エウロパの水が外部源から供給された可能性も示唆されています。これらの発見は、エウロパの居住可能性を理解する上で重要な意義を持っています。

研究のハイライト

1. 部分分化の仮説：研究は初めて、エウロパが部分的に分化している可能性を提示し、これまでの完全分化の仮説に挑戦しました。
2. 冷たい進化モデル：熱進化モデルを通じて、研究者らはエウロパの冷たい進化の歴史を明らかにし、金属コア分化の制限条件を説明しました。
3. 物質起源の分析：地球化学モデルを通じて、エウロパの主要な構成物質がCV型コンドライトである可能性を示し、その水の外部源についても探求しました。

今後の展望

今後のエウロパ探査ミッション、例えばEuropa ClipperやJUICEは、より正確な重力場と磁場データを提供し、これらの研究結果をさらに検証するでしょう。これらのミッションは、エウロパの内部構造とその居住可能性をより深く理解するのに役立つでしょう。