エウロパ (衛星)
2018年には、1995年から2003年にかけて木星を周回したガリレオ探査機によって得られたデータの最新の厳密な分析に基づき、エウロパでの水の噴出活動の存在を支持するさらなる証拠が得られた。ガリレオは1997年にエウロパの表面から 206 km 以内という非常に近距離を通過しており、この際の磁場およびプラズマの変動データはこの時に探査機が噴出の中を通過した可能性があることを示唆した。このような噴出活動は、衛星表面に着陸すること無くエウロパの地下の海における生命の探査を行う手助けになると科学者は考えている。
太陽系内で他に水蒸気の噴出が発見されているのは、土星の衛星エンケラドゥスのみである。エウロパでの噴出量は1秒あたり 7,000 kg 程度と推定されており、エンケラドゥスでは1秒あたり 200 kg 程度と推定されている。噴出の存在が確認された場合、探査機による噴出を通過するようなフライバイを行える可能性が広まり、衛星に着陸して何キロもの深さの氷地殻の掘削を行うこと無く、その場で内部海の成分を分析するためのサンプルが得られることが期待される。
1995年に行われたハッブル宇宙望遠鏡の高分散分光器を用いた観測で、エウロパに酸素分子 (O2) を主成分とする薄い大気が存在することが明らかになった。エウロパの大気の表面圧力は 0.1 µPa であり、これは地球の大気圧の 10-12 倍に相当する。さらに1997年にはガリレオ探査機の観測によって、荷電粒子からなる高層大気層である希薄な電離圏の存在が確認された。この電離圏は太陽放射と木星の磁気圏からの高エネルギー粒子によって形成されており、これはエウロパに大気が存在することを支持する証拠である。
地球の大気中に存在する酸素とは異なり、エウロパの大気中の酸素は生命起源ではない。エウロパ表面に重力的に束縛されている大気は、放射線によって分子が解離する反応である放射線分解によって形成されている。太陽からの紫外線と木星磁気圏からの荷電粒子 (イオンと電子) がエウロパの表面の氷に衝突し、水分子を酸素と水素に分解する。こうして生成された成分は吸着され、その後スパッタリングを受けて大気中に放出される。スパッタリングとは、天体の表面に高速の粒子が衝突し、表面にあった粒子がエネルギーを与えられた結果として叩き出されて散逸する現象のことである。紫外線や放射線が衝突することによってこれらの生成物が表面から放出されることもあり、これらの2つの過程の釣り合いで大気が形成されている。酸素分子は寿命が長いため、エウロパの大気では最も多い成分である。表面から大気中に放出された酸素分子は重力に引かれて再び表面に戻った後、水や過酸化水素分子のように固着 (凍結) せず、また表面から脱着して再び放物線軌道を描いて大気中を運動する。一方で水素分子は非常に軽くエウロパの重力から脱出できるため、放出された後は表面には戻ってこない。
エウロパ表面の観測では、放射線分解によって生成された酸素分子の一部は表面から放出されずその場に留まることが明らかになっている。エウロパの表面は地下にある海と相互作用していると考えられているため、この酸素分子は内部海へ到達し、存在しているかもしれない生物学的プロセスに役立つ可能性がある。ある推定では、エウロパの表面の最大年齢が5億歳と見積もられていることに基づく表面の更新速度を考えると、放射線分解によって生成された酸化物質のエウロパ内部への沈み込みによって、エウロパの海の遊離酸素濃度は地球の深海に匹敵する値になると考えられている。
一方でエウロパの重力から脱出する水素分子は、酸素原子、酸素分子と共に、木星を公転するエウロパの軌道の周りにガストーラスを形成する。この「中性粒子の雲」はカッシーニやガリレオによって検出されている。このようなガストーラスは内側の衛星であるイオにも存在していることが分かっているが、エウロパの中性粒子の雲はイオのものよりも多い個数の原子や分子を含んでいる。理論モデルでは、エウロパのトーラスの中にいるほとんど全ての原子や分子はいずれ電離され、木星の磁気圏内のプラズマの供給源となっていると考えられている。
エウロパの探査が初めて行われたのは、1973年と1974年にパイオニア10号とパイオニア11号がそれぞれ木星をフライバイしたときである。この時に撮影された初めてのエウロパの接近画像は、後の探査ミッションで得られたものと比較すると解像度の低いものであった。ボイジャー計画の2機の探査機が1979年に木星系を探査した際に、エウロパの氷に覆われた表面のより詳細な写真が得られた。ボイジャーによって得られた画像から、多くの科学者はエウロパの地下に液体の海が存在する可能性について考えることとなった。
ガリレオは1995年から2003年までの8年間にわたって木星を周回し、今日に至るまでで最も詳細なガリレオ衛星の探査を行った。ガリレオが行ったミッションの中には「ガリレオ・エウロパ・ミッション」(GEM) や「ガリレオ・ミレニアム・ミッション」(GMM)などの延長ミッションがあり、このミッションでエウロパへの多数の接近観測が行われた。
2007年には冥王星へ向かう途中のニュー・ホライズンズが木星系を通過し、エウロパの観測が行われた。
エウロパは地球外生命が存在する可能性があるという観点で注目を集めており、将来の探査ミッションに向けた着実なロビー活動が続けられている。これらの探査ミッションの目的は、エウロパの化学組成を探るというものから、内部海に存在が仮定されている地球外生命を探査するというものまで、非常に広範囲にわたっている。ロボットを用いた探査計画も立案されているが、エウロパでロボット探査を行うためには、木星やエウロパ周辺の高い放射線環境に耐えうる機材が必要である。エウロパにおける放射線環境は、1日あたり 5.40 Sv という高いものである。
2011年に、アメリカの Planetary Science Decadal Survey によってエウロパの探査ミッションが推薦された。NASAはそれに応じて、エウロパ・クリッパーと呼ばれるエウロパのフライバイ探査機や、エウロパの周回機、さらにはエウロパへの着陸機の概念研究を開始した。周回機ではエウロパの海の科学研究に主眼を置き、フライバイを行う探査機は化学やエネルギー科学に主眼を置くこととされた。2014年1月13日に、アメリカ合衆国下院の歳出委員会はエウロパのミッション概念研究を継続するための資金8,000万ドルを含む超党派の法案を発表した。
2013年7月に、エウロパ・クリッパーの更新計画がジェット推進研究所とジョンズ・ホプキンズ大学の応用物理研究所によって提案された。さらに2015年5月にNASAはエウロパ・クリッパーの開発を承認したと発表し、この探査機に使用される予定の機器を明らかにした。エウロパ・クリッパーの目的は、エウロパにおける生命の居住可能性を調査し、将来のエウロパ着陸機計画における着陸地点の選定を支援するための探査を行うことである。エウロパ・クリッパーはエウロパを周回する軌道には入らないが、木星を周回しながらエウロパ上空の低高度を45回フライバイすることが構想されている。探査機には、氷の中を探知するレーダー、短波長の赤外線分光器、地形を撮影するためのカメラ、イオンと中性粒子の質量分析計が搭載される予定である。2018年時点では、エウロパ・クリッパーはNASAが開発中の大型打ち上げロケットのスペース・ローンチ・システムでの2023年の打ち上げが検討されていたが、2021年7月23日、それに代わりスペースXのファルコンヘビーで打上げられることが決まった。
現在概念研究が行われているエウロパ探査計画として、NASAによるエウロパに着陸する探査機の計画であるエウロパ・ランダーがある。上記のエウロパ・クリッパーによる探査の一環として、エウロパ・ランダーが着陸するべき地点の選定に使えるような地形のデータを取得するものとされている。2018年の研究ではエウロパの表面は高いギザギザの氷の尖塔に覆われている可能性があることが示唆されており、これはエウロパ・ランダーが着陸を行う際の障害となる可能性がある。
2012年には、欧州宇宙機関によって Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE) が計画ミッションとして採択された。JUICE の主目的はガニメデの詳細な探査であり最終的にはガニメデの周回軌道への投入が予定されているが、ガニメデ周回軌道への投入前の木星を周回して観測を行う段階で、エウロパを2回フライバイして観測を行うことが予定されている。
エウロパへの探査ミッションはこれまでに様々なものが提案されている。これらの提案には採用されなかったり中止になったりしたものも多いが、その後に提案され採用された別の計画の基礎となったものもある。
2000年代前半に、エウロパ・ジュピター・システム・ミッション (EJSM) と呼ばれる木星の氷衛星への探査ミッションが提案された。これはNASAが主導するエウロパ周回機である Jupiter Europa Oebiter (JEO) とESAが主導するガニメデ探査機の Jupiter Ganymede Orbiter (JGO) からなる共同ミッションであり、2020年の打ち上げが予定されていた。この計画にはJAXAも木星磁気圏を探査する Jupiter Magnetospheric Orbiter (JMO) で参加する構想があった。
2009年に EJSM は、土星とその衛星タイタンやエンケラドゥスの探査ミッションであるタイタン・サターン・システム・ミッションよりも高い優先度が与えられた。この段階では、EJSM は他の探査計画と予算的に競合する状態にあった。しかし2011年4月に、ESAは現状のNASAの予算では2020年代初頭にEJSMの打ち上げを行うのは困難だと判断し、JGOの設計に基づいて新しい探査計画であるJUICEを立ち上げることとなった。
Jovian Europa Orbiter (JEO、上記の Jupiter Europa Orbiter とは異なる) は、ESAが2007年から実現可能性の検討を行っていた探査計画である。この計画では、探査機をエウロパ周回軌道に投入して探査を行うものとされていた。エウロパ周回機のJEOと、木星の磁気圏の外部を長楕円の軌道で周回してJEOと地球の通信をリレーする役割を果たす Jovian Relay Spacecraft (JRS) から構成され、可能であれば JEO にはさらに氷地殻のその場分析を行うための重量 1 kg 未満の超小型探査機を搭載し、エウロパ周回軌道上で分離することが想定されていた。
エウロパ表面の物質を採取してサンプルリターンを行う計画としては、1996年に立案された Ice Clipper という概念研究が存在した。これは彗星探査機のディープ・インパクトに搭載しているのと似た衝突体 (インパクター) を使用することが計画されていた。Ice Clipper は、衝突体を計画的にエウロパ表面にぶつけて破片を噴出させ、その後小さい探査機がその破片の噴出の中を通過することでサンプルを収集するとされていた。
Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO) はNASAが提案していた木星の氷衛星のための探査機である。この計画はNASAによる原子力発電から動力を得る宇宙機を開発するプロメテウス計画の一部であり、探査機の動力源として、(原子力電池ではなく) 小型の原子炉を搭載し、推進にはイオンエンジンを用いることが予定されていた。JIMO では小型の原子炉を搭載したエウロパ着陸機である Europa Lander Mission が計画されており、周回機を介して地球との通信を行うとされていた。しかしこの計画は2006年に中止された。
エウロパ・オービターは、2002年に中止されたNASAによる探査ミッションである。この探査機の目的はエウロパの内部海の大きさを測定することと、海とエウロパ深部との関係を明らかにすることである。搭載が予定されていた機器は、電波のサブシステムやレーダー高度計、磁気センサ、ラングミュア探針、地図作成のためのカメラなどである。エウロパ・オービターの特色は、氷の表面の下をスキャンするための氷を通過する特別なレーダーであった。
この計画は1999年に進行の承認が降りたものの、2002年に中止となった。エウロパ・オービターの計画で得られた成果は上記のEJSMにおけるNASAのJEOへと繋がったが、こちらも2011年に事実上中止になっている。
エウロパの表面下浅い場所に凍結している可能性のある生命の痕跡を探査するために、熱ドリルと組み合わせたインパクターなどのより野心的な探査のアイデアも提案されている。
2001年に提案された構想に、原子力でエネルギーを生成する大きな「溶融探査機」(クライオボット) というものがある。これは表面の氷地殻を溶かして内部海に探査機を到達させるというアイデアである。探査機が内部海に到達した後にハイドロボットと呼ばれる自律型無人潜水機を切り離し、エウロパの内部海の情報を収集して地球に送信する。地球に由来する生物の誤検出を防ぎ、またエウロパの内部海の環境汚染を防ぐためには、クライオボットとハイドロボットには両方とも何らかの形で徹底した滅菌を施す必要がある。この構想は、まだ正式な概念研究を行う段階には到達していない。
現在までにエウロパに生命が存在することを示す証拠は得られていないが、エウロパは太陽系の中でもっとも生命が存在する可能性が高い場所の一つとして注目を集めている。エウロパ内部の氷に覆われた海は、地球における南極大陸の氷底湖であるボストーク湖に近い環境であると推測されている。
1970年代まで、少なくとも一般的に理解される概念としては、生命は太陽からのエネルギーに完全に依存していると考えられていた。植物による光合成生態系のことである。たとえ太陽光の届かない深海の生命であっても、間接的に太陽光の恩恵を受けたものと考えられていた。
しかし、海底探査による化学合成生態系の発見が、従来の常識を覆した。1977年の深海探査艇アルビン号によるガラパゴス海嶺の探索では、ジャイアントチューブワーム、貝類、甲殻類などのさまざまな深海生物が、ブラックスモーカーと呼ばれる熱水噴出孔の周りに群生しているのが発見された。これらの生物は太陽光が全く届かないにもかかわらず繁殖しており、また後に解明されたところによると、まったく独立な食物連鎖を形成していた。この食物連鎖の基盤は植物ではなく、化学物質の酸化反応からエネルギーを得ていたバクテリアだった。これらの化学物質とは水素や硫化水素などであり、地球内部から噴出しているものであった。このようなエネルギー合成システムを化学合成という。これは生命の研究において革命的な発見であり、生命には必ずしも太陽は必要ではなく、水とエネルギーがありさえすればよいということが明らかになった。また、この成果は宇宙生物学にも新たな道を開き、地球外生命の存在可能性を著しく広げることになった。そのため21世紀初頭において、エウロパの光の届かない海洋は、太陽系の中でも最も地球外生命の存在が期待されている場所である。
化学合成生態系のプロセスが発見されたのは地球だが、これはエウロパの生命モデルの可能性として有力である。しかし、このようなエネルギー源では、地球表面の光合成を源とする生態系のように、広範で多様な生態系を形づくることはできない。エウロパに生命が存在した場合、地球においてendolithと呼ばれる生命が生息している場所のような、熱水噴出孔や海底に固まって存在している可能性がある。あるいは、地球の極地での藻類や細菌のように、エウロパの氷の層の下面にしがみつくように生息していたり、エウロパの内部海を漂っていたりするものもあると考えられている。もしエウロパの海が低温過ぎた場合、地球で起きているのと同じ生物学的過程は発生しない可能性がある。また塩分が多すぎる場合も、極端な好塩菌しかその環境では生きられない。
潮汐力によってもたらされるエネルギーは、熱水噴出孔などのエウロパ内部での地質学的活動を駆動する。イオでも同様の活動が発生しているが、イオはエウロパよりも遥かに活動が活発である。エウロパでも地球と同様に放射性物質の崩壊熱が内部での熱源になっていると考えられるが、潮汐摩擦や潮汐変形によって生み出されるエネルギーの方が放射性物質由来のエネルギーより数桁も大きい。
エウロパに全球的に存在すると考えられている内部海とは別に、氷の地殻の中に液体の水の湖が部分的に存在することを示す観測結果も得られている。もしこれが確認されれば、これらの湖も生命を宿している可能性がある候補地となる。
上記の様に、エウロパの生命は、氷地殻の下にある内部海のおそらくは地球の深海の熱水噴出孔に似た環境に存在する可能性があると考えられている。しかし2016年のNASAの研究では、エウロパに火山性の熱水活動が無かったとしても、火山活動を直接必要としない蛇紋岩の形成と氷に由来する酸化性物質に関連したプロセスによって、地球に似た水準の水素と酸素が生成されうることが分かっている。2015年には内部海に起源を持つ塩がエウロパのいくつかの地形を覆っていることが明らかになり、これは内部海の海底において海と海底が相互作用を起こしていることを示唆していると考えられた。これはエウロパにおける生命の居住可能性を考える上で重要な要素である可能性がある。エウロパの岩石マントルと液体の水が接触している場所がある可能性があるため、その箇所に探査機を送り込むことを求める研究者もいる。
アリゾナ大学のリチャード・グリーンバーグらは、エウロパ表面の氷への放射によって氷地殻は酸素と過酸化物で飽和し、それらの物質はテクトニクスによってエウロパの内部海へ輸送されうるという理論モデルを2010年に提案した。このモデルでは、この過程によってエウロパの内部海はわずか1,200万年程度の期間で地球の海と同じ水準まで酸化させられ、複雑で多細胞の生命の存在が可能になるとされている。
過酸化水素はエウロパの表面の広範囲に渡って豊富に存在している可能性があることが研究から示唆されている。過酸化水素は液体の水と反応することで酸素と水に分解されるため、この分解過程は単純な生命体にとって重要なエネルギー源になる可能性があると考える研究者もいる。
粘土鉱物、具体的にはフィロケイ酸塩は、地球ではしばしば有機物に伴って存在しているが、これはエウロパの氷地殻でも検出されている。この鉱物は、小惑星か彗星との衝突の結果として存在していると考えられている。
何人かの科学者たちは、地球上の生命が小惑星の衝突によって宇宙空間に吹き飛ばされ、それが木星の衛星に到達した可能性があるという主張をしている。隕石によって生命が他の天体に拡散されるとする説は、岩石パンスペルミアと呼ばれている。
長沼毅『生命の星・エウロパ』(NHKブックス、2004年03月)ISBN 9784140019924
David A.
David M.