火星の衛星フォボスから最高の土壌サンプルを採取するMMX宇宙ミッションを英国の科学者がどのように支援しているか

火星にはフォボスとダイモスという 2 つの小さな衛星がありますが、その起源は不明のままです。それらは火星の重力によって捕らえられた小惑星だったのでしょうか、それとも惑星への巨大衝突後の破片から形成されたのでしょうか？

日本の火星衛星探査（MMX）ミッションは、2つの衛星のうち最大のフォボスから土壌サンプルを収集することで、この謎を解明することを目的としている。英国での実験は、科学者がその発見を解釈する準備を整えるのに役立っています。

MMXは10月19日、日本南部の種子島宇宙センターからH3ロケットで打ち上げに成功した。約2週間前、地上管制官は宇宙船から最初の信号を受信し、宇宙船が正常に通信していることを確認した。

小天体を研究し、それらを隕石（地球に到達する宇宙の岩石の天然サンプル）と比較することは、科学者が太陽系の形成と進化を理解するのに役立ちます。

1989年に火星軌道上の位置からデータを収集したソ連のフォボス2号探査機による観測や、2010年代にNASAの赤外線望遠鏡施設を使用した研究者らによる観測は、フォボスの起源に関する重要なヒントを提供してきた。

彼らは、火星の衛星が、D タイプとして知られる暗い原始的な小惑星に似たスペクトル特性 (惑星の表面が光を吸収および反射し、その組成に関する情報を提供する仕組み) を持っていることを示しました。これらは、一部が太陽に向かって移動する前に、太陽系の外側で発生したと考えられています。

火星が 2 つの別々の小惑星を捕らえたということを説明するのは難しいでしょう。別の提案では、火星が重力によって引き裂かれた小惑星の破片を捕らえたということを示唆している。これらの破片はその後、衛星が進化する材料の円盤を形成しました。

火星の衛星フォボスから最高の土壌サンプルを採取するMMX宇宙ミッションを英国の科学者がどのように支援しているか — 実験では、フォボスに衝突した火星の物質が月の表面近くに検出可能な破片をどのように残すかを示しています。軽ガス銃が鉱物カンラン石の破片を発射して、フォボスの土壌を模倣するように設計された物質を作りました。白と緑の物質はカンラン石の発射体の残骸です。
クリサ・アヴデリドゥ

しかし、これは、遠く離れた太陽系外縁部からの物体がどのようにして火星に到達したのかという疑問を引き起こします。別の理論では、大きな物体が火星に衝突したときに軌道上に放出された破片からフォボスとダイモスが形成されたと主張しています。

このシナリオはそれらの軌道の側面を説明できますが、その構成がそのような衝突から予想されるものと一致するかどうかについては疑問が残ります。これらの可能性を区別することがMMXミッションの主要な目標であり、両方の衛星を調査し、フォボスからサンプルを地球に持ち帰ることになる。

火星の衛星フォボス。 — フォボスの大きさは直径わずか 22km です。その重力は地球の月のような球形に引き込むには弱すぎます。
NASA/JPL-カリフォルニア工科大学/アリゾナ大学

フォボスに他の場所からの素材が含まれている場合はどうなりますか?火星の最大の衛星には、別の重要な手がかりが含まれている可能性があります。それは、太陽系の別の場所から運ばれた物質です。

火星への大きな衝突は岩石を宇宙に放出する可能性があり、その一部は最終的にフォボスに着陸する可能性があります。小惑星が月に直接衝突すると、破片が残る可能性もある。科学者はこれを外来物質と呼びます。

MMX の準備

約 10 年前、私は室内実験と数値シミュレーションを通じてこのプロセスを調査しました。私の研究では、物体が他の惑星体に衝突すると、衝突速度が比較的遅い場合でも、物体が標的の表面に物質を残す可能性があることが実証されました。

数年後、NASAの小惑星ベンヌへのオシリス・レックスミッションと、小惑星リュウグウへの日本のはやぶさ2ミッションでは、目標の小惑星への衝突に関連する異物が特定された。火星の岩石の破片やフォボスの小惑星の破片も同様に、月の衝突の歴史を再構築し、その起源に光を当てるのに役立つ可能性がある。

MMX ミッションは、2026 年 10 月 19 日に H3 ロケットで打ち上げられます。 — MMXミッションは10月19日に日本南部の種子島宇宙センターから打ち上げられた。
JAXA

2023年、私はMMXミッションの参加科学者に選ばれ、その表面科学・地質学のSST（科学戦略チーム）に加わりました。私の研究は、衛星の表面を形成するプロセス、特に衝突に焦点を当てています。

さまざまな探査機器からの観測を組み合わせることにより、クレーターの数とサイズを研究して衛星の衝突の歴史を理解することを目指しています。また、フォボス上で異物を識別できるかどうかも確立したいと考えています。

もし小惑星捕獲理論が正しければ、MMXは太陽系の外側で形成された原始的な天体を調査することになる。火星への巨大な衝突の後に衛星が形成された場合、それらの衛星には火星の岩石の破片とそれに衝突した物体がまだ含まれている可能性があります。これは、MMX がフォボスから収集した物質の異なる組成から明らかかもしれません。

空間のインパクトを再現する

実験室での実験はすでに、MMX 宇宙船の機器が何を検出するかを科学者が予測するのに役立っています。惑星科学者を支援する団体であるユーロプラネットからの資金援助を受けて、私はケント大学で実験的なキャンペーンを立ち上げました。

テストでは、提案された両方の形成シナリオの下で、フォボスの表面をシミュレートするように設計された物質に向けて発射体を発射するために、軽ガス銃（物体を高速で推進する装置）が使用されました。

クレーターの形成が衝突速度と物体の大きさにどのように依存するかを調査しました。また、火星から放出された物質がフォボスを汚染する可能性があるかどうかもテストしました。

フォボスに着陸する MMX 宇宙船の 3D レンダリング。 — MMX宇宙船はサンプルを採取するためにフォボスに着陸する予定だ。
JAXA

私たちの実験では、このプロセスが実験中に適用された条件下で実行可能であることが実証されました。これらのテストでは、自然なプロセスと影響速度を再現できます。この研究は、英国王立天文学協会 (MNRAS) の雑誌「Monthly Notices」に投稿されています。

オックスフォード大学の若手科学者エメリア・ブラナガン・ハリス博士、オープン大学のベン・ライダー・ストークス博士、レスター宇宙研究所のヴァッシ・スパティス博士とともに、宇宙船がサンプルを収集する前に、MMXの機器がフォボスの表層内の火星からの物質の粒子を検出できるかどうかも調査しました。この作品は現在 MNRAS で改訂中です。

今後のテスト

異物を遠隔で特定できれば、科学者は観察結果を解釈し、最も有用な情報を提供する土壌サンプルを選択する能力が向上します。私たちは、9月にオランダのハーグで開催されたヨーロッパ惑星科学会議で研究結果を発表しました。

次に何が来るでしょうか？レスター大学では、ハードロックスと呼ばれる私たちの科学者チームが、フォボスに有機物が存在する可能性を調査するための実験を計画しています。

有機化合物は必ずしも生命の証拠であるわけではなく、非生物学的プロセスを通じて形成されたり、小惑星によって運ばれたりすることもあります。しかし、それらはフォボスの歴史について多くのことを教えてくれるので、火星の衛星がどのように形成され、進化したかについての理解がさらに深まります。

それらが捕獲された小惑星であろうと、巨大衝突の残骸であろうと、その表面と返されたサンプルは、その形成に関する重要な手がかりを明らかにする可能性があります。フォボスが火星や遠方の小惑星から運ばれた物質も保存しているのであれば、これらの小さな衛星は、私たちの太陽系を形作った物質の衝突や動きについて、より大きな物語を語ることになるかもしれない。

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