｢土星の衛星には水があり､生命がいる可能性がある｣NASAの研究者がそう結論づけた科学的根拠
■マイナス130度、猛烈な嵐が吹く星に生命はいるのか
「激しい嵐です！ 風速は時速1600キロ。あっ、稲妻です。続いて、凄まじい轟音も届きました。地球の稲妻の1万倍の強さです！ 北極周辺に目を移してみましょう。不思議な模様ですね。よく見てみましょう。なんと六角形です！ 一辺の長さはおよそ1万3000キロメートルもあります」
もし土星を現場中継する記者がいたら、こんな実況をするかもしれない。気象が激しいのは、土星の自転周期がわずか10時間余りと短いからだ。コリオリの力が強く働き、空気がかき乱されるのだ。北極周辺に浮かび上がる六角形模様は気流の気圧、密度、温度が相互に作用して嵐になった結果、形成されたと考えられている。
ただし、嵐により六角形が形成される詳しい仕組みはまだわかっていない。マイナス130℃の極寒の気候に、地球とは比較にならないほど猛烈な嵐に見舞われる土星本体に生命が住めるとはとても考えられない。
■土星ではなく、その衛星に注目が集まっている
土星本体ではないとすると、生命が存在する可能性のあるのはどこか？
すぐに目に付くのは、巨大な環である。一体の円盤のように見えるが、土星の環は、実は無数の氷の粒子からできている。粒子の大きさは1センチメートルから数メートルまでさまざまだ。それぞれ時速数十万キロメートルの猛スピードで移動している。粒子は時折激しくぶつかり合い、バラバラに砕け散ることもあるが、逆に合体し、徐々に成長することもある。
土星の環には、所々、小さな傷のようなものがある。その傷の中心にあるのは、生まれたばかりの衛星だ。これがさらに大きくなると、土星の周囲を回る衛星になる場合もある。土星にはたくさんの衛星が存在し、土星の周囲を回っている。
その数は、国際天文学連合（IAU）に登録されているものだけで66個、IAUの会報で報告されているものを含めると86個にのぼる（2021年12月1日現在）。
実は、生命の可能性があると注目されているのは、土星本体ではなく衛星なのだ。
■地球以外に初めて液体が確認されたタイタン
土星最大の衛星タイタンは、太陽系の衛星の中では唯一、濃い大気を持っていることで知られる。その様子をはじめて詳細に観測し、表面に湖や海が存在している可能性を示したのは惑星探査機ボイジャーだ。
地球以外で、表面に液体が確認されている天体はなかった。それだけにボイジャーの観測は世界に衝撃を与えたが、タイタンの液体は水ではなく、メタンやエタンなどの炭化水素である。
表面温度はマイナス180℃の極低温であり、水が液体として存在するには冷たすぎるが、融点の低い炭化水素なら液体として存在できる。ただしボイジャーの観測では実際に液体の炭化水素が存在するかどうかまでは明らかにできなかった。
この問題に決着をつけたのが、1997年に打ち上げられた探査機カッシーニとカッシーニに搭載されていた着陸機ホイヘンスだ。カッシーニは2004年6月に土星軌道へ到達後、土星の環や衛星の観測を行い、12月にはホイヘンスを切り離した。ホイヘンスはタイタンの大気を観測しながら降下し、着陸後、機能停止するまでの4時間弱、探査データをカッシーニを経由して地球へ送信した。
■惑星探査機カッシーニによる大発見
ホイヘンスが撮影したタイタンの表面には、砂漠のような場所に丸い石や氷の塊がたくさん見られた。研究者たちはこの画像から、かつてそこに液体が流れていたと考えている。石を転がし、その角を削る川の流れがなければ、丸い形状の石が存在することを説明しにくいからだ。ホイヘンスの観測は、液体によって作られたと見られる地形が広範囲に及んでいることも示していた。
ただし水のように流れる液体そのものを発見するには至らなかった。液体の存在を確認したのは、カッシーニだ。ホイヘンスを切り離した後も、カッシーニはタイタンに接近するたびに電波と赤外線による観測をつづけ、2006年7月、北極付近にレーダーを反射しないエリアを発見した。
それこそ液体メタンで満たされた湖の存在を決定づける証拠だった。タイタンに大気だけでなく、表面に安定的に液体が存在していることが確認されたのだ。
さらに山、砂漠、川があることも報告された。川を流れるのも液体のメタンだ。蒸発したメタンは再び雨となって表面に落ちる。地球と同じように大気が循環しているのだ。大気には、メタンの他、生命の材料となる有機物がたくさん含まれていることもわかった。
つまり、タイタンには液体の水こそ存在しないものの、生命が存在するために必要な物質がいくつもあったのだ。とはいえ、地球の常識に照らせば、水がないというのは最も重要なパーツが欠けていることになる。
■NASAによる生命の定義
果たして水がなくても生命は存在できるのだろうか。1994年、NASAは次のような生命の定義を採用すると発表した。
「生命とは、ダーウィン進化を起こしうる自立した化学反応システムである」
ダーウィン進化とは、環境に適応する生物が生き残ることで起こる進化のことで、細胞などが自身のコピーを作り出す自己複製、遺伝子が変化することによる遺伝的変異なども含まれる。
NASAの定義で水の存在は前提とされていない。ある化学反応システムが自立しており、かつダーウィン進化を起こしていれば、それを生命と見なすというのだ。
2005年、NASAエイムズ研究所の宇宙生物学者クリス・マッケイさんたちは、地球上に存在する微生物のメタン生成菌を参考に、タイタン表面の液体メタン中にメタン生成生物が存在する可能性について論じている。
地球のメタン生成菌は、水素と二酸化炭素を食べて、メタンを生み出す。酸素がない環境を好み、沼地、海底堆積物の他、牛の胃や、わたしたちヒトの腸にもすみついている。
おならの成分の一つであるメタンは、メタン生成菌によるものだ。それではタイタンの液体メタンの中にすんでいるかもしれないメタン生成生物は何を食べているのか。マッケイさんたちは、水素とアセチレンを食べ、メタンを出しているのではないかと予想した。
それだけに2010年6月に発表された、カッシーニの観測に基づく二つの分析結果は、世界に衝撃を与えた。
一つは、タイタン大気の下層の方が、上層よりも水素濃度が低いこと、もう一つは、表面でアセチレン濃度が低いことを示していた。2005年にマッケイさんらが論文で示した、水素とアセチレンを消費する生物がいるとする仮説と矛盾しない結果だった。
タイタンに生物がいることを示す直接的な証拠はまだ得られていない。しかし、もし地球とまるで違った環境で生命が見つかれば、わたしたちの生物学の概念を根本から覆すはずだ。はたしてタイタンに生命体はいるのだろうか？
■生命が存在する可能性が最も高い星
生命が存在する可能性がある衛星は他にもある。その名はエンケラドス。月の7分の1の、直径500キロメートルほどの小さな衛星だが、長らく注目されていなかった。
しかし近年、生命が存在する可能性が最も高い天体の一つとして、多くの研究者が期待を寄せている。土星には環のさらに外側に、1966年に発見された、Eリングと呼ばれる青白いリングがある。エンケラドスは、そのEリングの中をまわる衛星だ。
1980年代、ボイジャー2号は、エンケラドスを撮影し、表面がすべて氷で覆われていること、そしてクレーターがある場所と全くない場所にはっきり分かれることなどを明らかにした。エンケラドスでは、もともとあったクレーターを消してしまうような大きな地殻変動があったのだと考えられた。
■氷を宇宙に噴き出している
2007年、その謎が解き明かされた。カッシーニの画像を解析するチームのリーダーで、カッシーニ画像中央研究所のキャロリン・ポルコさんは、カッシーニがエンケラドスに接近して撮影した画像の一枚一枚に驚かされたという。そのうちの1枚が次の写真だ。
エンケラドスが黒く写っているのは逆光で撮影されたからだ。ポルコさんはわざと逆光で撮影したのだという。
「もしかしたら、エンケラドスの表面に火山活動による間欠泉があり、そこから何かが噴き出し、Eリングを作り出しているのかもしれないと推測したのです。そこで太陽を背に、エンケラドスを逆光で撮影することにしました。もし何か小さな粒子が噴き出しているのであれば確認できると考えたのです」
霧を吹き出す加湿器を思い浮かべてみよう。霧の背後からさし込んだ光が水滴で何度も散乱するので、正面にいる人に霧ははっきりと見える。ポルコさんはまさにこの逆光の効果を狙ったのだ。
逆光で撮影したエンケラドスの南極付近を見ると、一際明るく光る部分が写っていた。1カ月後、再び逆光で撮影すると、同じ場所に光の筋がはっきりと見えた。エンケラドスから宇宙空間へ何かが噴き出していたのだ。その高さは、数百キロメートルに及ぶことがわかった。
「私たちはエンケラドスで間欠泉を発見できると想定していました。しかしみんなが驚いたのは、予想をはるかに超えたその大きさです」（ポルコさん）
その後、カッシーニは詳しい調査に乗り出した。飛行高度を168キロメートルまで引き下げ、エンケラドスの南極の地形を詳しく観測した。
そこでカッシーニが見たものは、ポルコさんにとっても思いもよらない光景だった。それは縦に走る複数の青い筋で、長さ130キロメートルにもわたって、裂け目だけが平行に走っていた。予想した火山のような地形はなかった。しかし、地殻変動が活発なことは明らかだった。
「それは類い稀な地形でした。ツルツルとした表面にいくつかの裂け目だけが存在する、独特の地形があったのです。クレーターは全くありませんでした。私たちはエンケラドスの南極で、誰も見たことのない驚きの地形を発見したのです」（同）
■生命の誕生を促すエネルギーがある
青い筋は、虎の背中の縞模様に似ていることから、タイガーストライプと名付けられた。地殻変動が活発なことは、表面温度からも示された。エンケラドスの表面温度はマイナス180℃だが、サーモグラフィで見ると、タイガーストライプの温度はマイナス80℃。もっとも温度が高い場所はマイナス20℃に達すると推定する研究者もいる。
噴き出しているものの正体も明らかになった。氷がタイガーストライプの割れ目から噴き出ていたのだ。その氷は宇宙空間へと広がってゆく。あの青白いEリングは、まさにエンケラドスから大量に噴き出した氷によってできていたのだ。
「私はこの場所を『エンケラドスの間欠泉公園』と呼んでいます。きっとすばらしい眺めでしょうね。太陽系の観光名所トップ10に入ると思います」（同）
もしタイガーストライプに降り立つことができたなら、秒速400メートル、高さ数百キロメートルにも達する壮観な氷の間欠泉を目の当たりにするはずだ。
■エンケラドスに生息する生物の種類
NASAの宇宙生物学者リチャード・フーバーさんは、エンケラドスこそ生命がいる天体だと考えている。
フーバーさんは仲間の研究者らとともに標高3000メートルを超えるオーストリア・アルプスの山頂付近を探索した。そこに広がる氷河は、フーバーさんによれば、エンケラドスのタイガーストライプに極めてよく似た環境だという。氷河は昼間でもマイナス15℃という極寒の世界だ。その一角から、フーバーさんらは、氷河の内部へ繋がる氷の洞窟に入った。
フーバーさんがその洞窟を訪れたのは、太陽の光すら届かない洞窟の環境が、太陽から遠く離れたエンケラドスと同じだからだ。氷の中を10分ほど進むと、巨大な氷の柱が林立する大きな空間が現れた。アイスパレス（氷宮殿）と呼ばれる場所だ。フーバーさんによれば、エンケラドスのタイガーストライプはまさにこうした世界だという。
「天井や壁から伸びる巨大な氷の柱。このような形の氷がエンケラドスのタイガーストライプにもあるはずです。裂け目の中で、氷の結晶が成長し、地球と同じように重力に引っ張られ、下へ下へと成長し続けているのです」
光が当たらない極寒の氷世界で、フーバーさんたちはその氷を切り出し、慎重に袋に入れて持ち帰った。翌日、アイスパレスから持ち帰った氷を、密封した袋の中で溶かし、顕微鏡で覗いてみると、何かが動いていた。バクテリアが見つかったのだ。
氷の世界に生きる微生物だった。
「私たちは地球の氷河の氷の中で生きる微生物を知っています。ですから、極寒のエンケラドスの中でも、少し温度が高いタイガーストライプなら、生命が存在する可能性は非常に高いでしょう。氷の中で微生物が繁栄していると思います」（フーバーさん）
■生命を生み出すのに必要な3要素
科学者たちは、氷の間欠泉が噴き出すエンケラドスのタイガーストライプに生命存在の可能性があると考えている。しかし、近年の研究では、タイガーストライプの他にも注目すべき場所があることがわかってきた。
地球が生命を生み出すことができたのは、3つの条件を満たしていたからだと考えられている。
それは、生命を形作る材料となる有機物、有機物を溶かし反応を促進する液体の水、そして化学反応を促進する太陽のようなエネルギー源の存在だ。
太陽系では地球だけでこれら3条件が揃うと考えられてきた。
一つは、地球が太陽からほどよく離れた領域、いわゆる「ハビタブルゾーン（生存可能圏）」にあることだ。そのおかげで、地球では、水が、氷（固体）や水蒸気（気体）としてではなく、液体として存在できる。
■エンケラドスには水がある
一方、エンケラドスは、ハビタブルゾーンから大きく離れている。それにもかかわらず、3条件を満たす場所がある、とポルコさんは言う。
まず、液体の水はどうか。ポルコさんは、エンケラドスの氷の下に膨大な水があるはずだという。そう確信したのは、噴出する氷の粒子の大きさからだった。
「分析した結果、その中には細かい氷の粒子が多く含まれていることがわかりました。これは『液体の水』が噴き出して水滴となり、凍結して細かい『氷の粒子』になったためだと考えています」
観測によれば、噴き出した氷の粒子の直径は、100分の1ミリメートル以下。もしも表面付近の氷がそのまま噴き上げたのなら、これほど細かい氷の粒になるのは難しく、液体の水が噴き出し、水滴となった後に凍ったからこそ、大量の氷の粒子ができたと考えられるのだという。
■大量の水が生まれる仕組み
しかし、エンケラドスが回る土星は、太陽から14億キロメートルも離れている。これだけ離れていると、3つの条件の1つ、熱エネルギーはほとんど届かない。
実際、エンケラドスの表面温度はマイナス180℃しかない。いったい何の熱が存在するのか。
その鍵を握るのが、エンケラドスの外側を回る、土星の衛星ディオーネの動きだ。
エンケラドスは土星とディオーネに挟まれたまま、公転を続けている。エンケラドスの公転周期が33時間であるのに対し、ディオーネのそれはちょうど2倍の66時間。
その結果、66時間に一度、土星とエンケラドスとディオーネは直列に並ぶ。このとき、エンケラドスは2つの天体の重力に引っ張られ、その潮汐力によって、平たくひずむ。その後、元の球の形に戻っていく。
このくり返しにより、エンケラドスの内部で摩擦熱が発生する。氷はその摩擦熱で溶かされ、液体の水となる。さらに氷が割れて液体の水が上昇し、噴射する――。
「氷の下には『液体の水』があるでしょう。エンケラドスの噴射はこの下で生命が誕生しているかもしれないことを示しているのです」（ポルコさん）
■氷の中に含まれていた物質が意味すること
2014年4月、エンケラドスの重力分布のデータが発表された。解析の結果、南極付近に、氷より重い液体の水があることがわかった。その量は琵琶湖の貯水量の1万倍にも達する。エンケラドスの水に含まれる物質の成分もわかってきた。
2010年にカッシーニが、噴出した氷を至近距離から観測したところ、氷に炭素、酸素、ナトリウムなどさまざまな物質が含まれていることがわかった。興味深いことに、その中に、宇宙空間にはほとんど存在しない物質、極めて小さなシリカの結晶であるナノシリカも検出された。
シリカは水晶の成分だ。地球上では、温泉にナノシリカが大量に存在する。温泉が濁って見えたり、青く見えたりするのは、ナノシリカが太陽光を散乱、反射するためだ。そんなナノシリカがなぜエンケラドスから検出されたのか？
この結果に注目した研究者が、東京大学の関根康人さんと海洋研究開発機構の渋谷岳造(たかぞう)さんだ。惑星の進化や深い海の研究に取り組んできた2人は、ナノシリカと聞いてすぐにあることを思いついたという。
「ナノシリカは、岩石と水が高温で触れ合って反応しないと生成されない物質です。その意味で、ついにカッシーニは、まさに熱水の環境の直接的な証拠を見つけたのかと非常に興奮しました」（関根さん）
関根さんたちが注目した背景には、日本人研究者による深海の熱水噴出口に関する研究の蓄積があった。高温高圧という過酷な環境に多様な生命が息づいていることを明らかにしてきた研究だ。
2人は、ナノシリカが深海の熱水のような環境でできたのではないかと考え、再現実験を行った。エンケラドスの主要な成分とされるかんらん石と輝石を圧力容器に入れ、高温で熱したのだ。
実験は3年に及んだ。
「もうナノシリカが十分に析出するぐらい非常に高い濃度に達したとき、これは来たなと思いましたね」（同）
探査機が捉えたのと同じナノシリカの微粒子を作り出すことに成功したのだ。さらにエンケラドスの氷の下には海が存在し、海底から100℃近い熱水が噴き出していることを実験から証明した。
「土星の周囲のように、潮汐エネルギーで局所的にエネルギーが増える場所では、生命の誕生の確率はかなり高くなるのではないかと思います」（同）
■生命が生まれる条件がすべて揃った
エンケラドスは液体の水と熱エネルギーを持つことがわかった。残りは有機物の存在だ。実はこれもカッシーニによって確かめられた。
氷の間欠泉の内部を通過し、噴き出す部分にシアン化水素など、さまざまな有機物が大量にあることが観測されたのだ。これでエンケラドスは生命の3条件をすべて揃えた天体だったことになる。
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NHK｢コズミックフロント｣制作班2011年4月に始まったNHKの科学番組。毎回、天文学、宇宙物理、歴史など、さまざまな視点で「宇宙の謎」に迫ってゆく。開始から11年、制作本数は300本を超える。毎週木曜夜10時のNHK-BSプレミアムの他、世界中で放送されている。
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緑 慎也（みどり・しんや）
サイエンスライター
1976年、大阪府生まれ。出版社勤務後、月刊誌記者を経てフリーに。科学技術を中心に取材・執筆活動を続けている。著書に『消えた伝説のサル ベンツ』（ポプラ社）、『認知症の新しい常識』（新潮新書）、共著に『山中伸弥先生に、人生とiPS細胞について聞いてみた』（講談社）、『ウイルス大感染時代』（KADOKAWA）、翻訳に『「数」はいかに世界を変えたか』『「代数」から「微積分」への旅』（共に創元社）など。
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（NHK｢コズミックフロント｣制作班、サイエンスライター 緑 慎也）
