アルテミスIVの着陸候補地に「月のマントル」が飛散か、最新の衝突シミュレーションが示す可能性

2026年6月25日 00:39

サウスウェスト研究所などの研究チームは、月最大かつ最古の衝突クレーター「南極エイトケン盆地」が準惑星サイズの天体の衝突によって形成され、その際に月の深部マントル物質が南極地域に飛散したとする研究結果を発表した。この飛散先は、NASAが2028年に有人着陸を計画している「アルテミスIV」の着陸候補地と重なっている。もし宇宙飛行士がマントルのサンプルを回収できれば、地球を含む岩石惑星の形成プロセスを説明する「月マグマオーシャン仮説」を史上初めて直接検証できる可能性がある。

■月最大・最古のクレーターが隠し持っていた真実

サウスウェスト研究所（SwRI）の研究者らによる2つの査読済み研究により、月で最大かつ最古の衝突クレーターである「南極エイトケン（SPA）盆地」が、北から衝突した準惑星サイズの天体によって形成されたことが明らかになった。さらに、この衝突によって月の深部にあるマントル物質が、NASAが2028年に初のアルテミス有人着陸を計画している場所に飛散した可能性が示された。もしこの知見が正しければ、アルテミスIVの乗組員は、半世紀以上にわたり惑星科学者が追い求めてきた「月のマントル物質」のサンプルを回収できる可能性がある。これは、地球を含むすべての岩石惑星がどのように形成されたかを説明する基礎理論を、初めて直接検証する機会となる。

これらの研究は、NASAの太陽系探査研究仮想研究所（SSERVI）に所属するサウスウェスト研究所のチーム「月起源・進化センター（CLOE）」の研究者らによって行われ、学術誌『Science Advances』および『Journal of Geophysical Research: Planets』に掲載された。研究チームは、衝突を再現するコンピュータシミュレーションと、NASAのGRAILミッションによる高精度重力測定データという、2つの独立した証拠を組み合わせた。

■シミュレーションが再現した40億年前の衝突

月の裏側に位置し、直径約2,500キロメートル、深さ約8キロメートルに達するSPA盆地は、太陽系で確認されている最大級の衝突クレーターであり、約42億5,000万年前に形成されたとみられている。惑星科学者たちは長年、この盆地を月の初期歴史を知る窓として研究してきたが、「どのような天体が、どの方向から衝突し、掘り起こされた物質はどこへ飛散したのか」という3つの根本的な疑問は未解決のままだった。今回のCLOEの研究は、これらすべての疑問に答えるものである。

研究チームは、極限の衝撃波圧力を受ける物質の挙動を解析する物理コード「ハイドロコード（流体解析コード）」を使用し、数千通りのシミュレーションを実施した。衝突体のサイズ、組成、速度、進入角度を変化させた結果、SPA盆地特有の引き伸ばされた非対称な形状を再現できる唯一のシナリオが特定された。それは、直径約260キロメートルの分化した天体（金属の核と岩石のマントルを持つミニチュア惑星のような天体）が、北から浅い角度で斜めに衝突し、南に向かって進んだという構成である。

『Science Advances』誌の論文の筆頭著者であるパデュー大学の脇田茂博士（サウスウェスト研究所所属）は、「我々のシミュレーションは、衝突盆地の正確な形状と性質を再現している。また、それを形成した衝突体や衝突の方向についても明らかにしている」と述べている。浅い角度での斜め衝突により、衝突体は標的を横方向に削りながら進むため、エネルギーが線状に分散し、SPA盆地のような非対称な形状が形成された。また、衝突体が南に向かって進んでいたため、吹き飛ばされた岩石やガスなどの放出物（エジェクタ）は、全方向に均等に分散するのではなく、南極地域に偏って飛散したとみられる。

■GRAILの重力データが描く破片の分布図

シミュレーションが衝突そのものを追跡した一方で、アリゾナ大学のガブリエル・ゴーマン博士が率いた共同分析では、NASAのGRAIL（重力回復・内部研究所）ミッションの重力データを用いて、衝突によって残された物質の分布をマッピングした。GRAILは2012年、2機の小型探探査機「エブ」と「フロー」を月の極軌道に並走させ、密度の違いによる探査機間のわずかな距離の変化を測定することで、月内部の構造を明らかにした。

ゴーマン氏のチームは、この重力測定データを用いて、SPA盆地の縁の周囲に幅約400キロメートルの高重力異常リングを特定した。このパターンは、盆地の放出物の中に、地表に通常存在する軽い地殻岩石（アルミニウムに富む斜長岩）よりも密度の高い、マントル由来の岩石（鉄やマグネシウムに富むかんらん岩など）が埋もれていることを示している。分析によると、マントル由来の物質はSPA盆地の放出物全体に混ざり合っており、一部の地域では厚さ最大3キロメートルに達すると推定されている。

ゴーマン氏は、「マントル物質の正確な分布は大きな謎だった。我々のモデルは、SPAの衝突によって十分な深部物質が放出され、現在でもアクセス可能な重要な堆積層を形成していることを示している。最も重要なのは、その物質の一部が、アルテミス計画の着陸候補地として検討されている地域に微量ながら存在する可能性があることだ」と指摘している。ただし、マントルを含む放出物は南極地域全体に一様に分布しているわけではなく、アルテミスIVの着陸候補地の多くでは微量にとどまり、その後の数十億年にわたる小さな衝突によって地殻物質と混ざり合っているとみられる。そのため、宇宙飛行士が確実にマントル岩石を発見するには、重力マップやシミュレーションに基づくピンポイントのサンプリングが極めて重要になる。

■マントルサンプルが書き換える岩石惑星の歴史

「月マグマオーシャン仮説」は、岩石惑星の形成を理解するための最も基礎的な枠組みであり、1970年にアポロ11号の宇宙飛行士が月の高地からアルミニウムに富む斜長岩（鉄アノーサイト）を持ち帰ったことを受けて提唱された。科学者たちは、これほど大量の斜長石が形成されるには、初期の月の外層が完全に溶融しており、マグマが固まるにつれて軽い鉱物が表面に浮上したと考えるほかないと結論づけた。この枠組みはその後、火星や水星、大型の分化した小惑星にも適用されている。

しかし、アポロ計画、ソ連のルナ計画、中国の「嫦娥5号」「嫦娥6号」にいたる56年以上の月サンプル回収の歴史において、月のマントル物質と確認されたサンプルは一度も回収されていない。これまでに持ち帰られたものはすべて地殻由来のものである。マントルの組成を理解するには、マントル内で溶融して噴出した玄武岩溶岩から推測するしかなく、これには大きな不確実性が伴っていた。

中国の嫦娥6号は2024年6月にSPA盆地の裏側の別の場所から約1.9キログラムの物質を持ち帰り、2025年の研究ではその中に原始的なマントル由来のかんらん石が含まれている可能性が報告されている。しかし、その地質学的文脈は盆地内部の火山地帯であり、今回の研究が説明する南極の放出物堆積物とは異なる。アルテミスIVが南極の放出物堆積物にアクセスできれば、それとは異なる組成を持つ別の情報源を得ることになる。

CLOEのディレクターであり、両論文の共著者であるサウスウェスト研究所のウィリアム・ボトケ博士は、「衝突モデルと重力モデルの組み合わせは、強力なロードマップを提供する。SPAがどのように形成されたかだけでなく、月の起源と進化に関する最大の疑問に答えることができる岩石をどこで探すべきかを教えてくれる」と述べている。

■アルテミスIVの宇宙飛行士が実際に回収できるもの

SPA盆地内で数十億年にわたり発生したその後の小さな衝突が、埋もれたマントル岩石をさらに撹拌し、地表に再露出させた可能性がある。これにより、宇宙飛行士やローバーが直接回収できる状態になっている可能性がある。GRAILの重力異常マップを参考にした移動ルートの計画により、ミッション設計者は、重力シグネチャーが地表近くに異常に高密度の放出物が存在することを示す、価値の高いサンプリング地点を特定できるようになる。

これまで月科学における一般的な前提は、マントル物質にアクセスするには、月の地殻を数キロメートル掘削するか、有人着陸地としては不可能な地質学的に特異な露頭に専用の探査機を送る必要があるというものだった。今回の知見は第3の選択肢を提示している。すなわち、古代のSPA衝突がすでに掘削作業を終えており、アルテミスIVが向かう地表にその物質を堆積させているという可能性である。

NASAの現在のアルテミス計画の構成では、初の有人月面着陸は2028年初頭を目標とするアルテミスIVで予定されている。2027年後半に計画されているアルテミスIIIでは、有人着陸システム（スペースXのStarship HLSおよびブルーオリジンのBlue Moon）とのドッキング試験を地球低軌道で実施する予定である。2026年5月28日に発生したブルーオリジンの「ニューグレン」ロケットの発射台爆発事故により、Blue Moon着陸機のタイムラインに新たな不確実性が生じているが、NASAは現時点でアルテミスIVの具体的な延期を発表していない。

南極地域がアルテミス計画の目的地に選ばれた主な理由は、永久影クレーター内の水氷へのアクセスや、太陽光発電のための長時間の不日照時間の回避といった実用的なものだった。しかし、今回の研究はその選択の科学的価値を再定義する。南極は単なる資源の集積地ではなく、40億年前の破滅的な衝突によってもたらされた、月の最深部の地質学的アーカイブである可能性がある。

■先行研究との整合性と今後の課題

CLOEの研究は、SPA衝突が北から南へ進んだと結論づけた最初の研究ではない。2025年に『Nature』誌に掲載されたアンドリューズ＝ハナ氏らによる論文（今回の著者の一部も含まれる）でも、SPAの熱が月の反対側でマグマオーシャンの掘削を引き起こした仕組みを分析し、同様の衝突方向の結論に達していた。今回の『Science Advances』および『JGR Planets』の論文は、放出物の分布とマントル岩石のマッピングに焦点を当てた2つの独立した手法を用いてその成果を拡張し、衝突方向の解釈に対する信頼性を高めている。

GRAILの重力シグナルは高密度の放出物の存在を示しているが、それがマントル由来のペリドタイトなのか、それとも衝突体自体に由来する金属鉄なのかを区別することはできない（2019年のベイラー大学の研究では、盆地地下に埋もれた金属に富む巨大な質量が特定されている）。候補地域にある地表の岩石が、衝突体の残骸や異常に高密度の地殻岩石ではなく、本当にマントル由来であることを確認するには、将来の軌道分光観測や、最終的にはサンプル回収が必要となる。

研究の著者らもこの不確実性を認めている。ゴーマン氏は、アルテミスの着陸ゾーンにその物質が「微量ながら存在する可能性がある」と述べており、これは現在の証拠が「非常に示唆的ではあるが、軌道上からはまだ決定的に証明されていない」という慎重な姿勢を反映している。

もしアルテミスIVの乗組員が確認されたマントルサンプルを回収できれば、月のマグマオーシャン仮説が予測するマントルの鉱物組成（下部マントルがマグネシウムに富むかんらん石の累積岩で占められているか、重力的な転覆が初期の結晶化シーケンスをどの程度変化させたかなど）について、初めて直接的な制約を与えることになる。その結果は月にとどまらず、火星、水星、さらには岩石系太陽系外惑星に適用されている分化モデルの独立した検証手段を提供し、惑星科学全体に波及することになる。

■注目ポイントQ&A

●今回の南極エイトケン盆地に関する研究で、何が新しく判明したのですか？

月最大の南極エイトケン（SPA）盆地が、北から浅い角度で衝突した準惑星サイズの天体によって形成されたことが判明しました。また、この衝突によって月の深部マントル物質が南極地域に飛散し、NASAのアルテミスIV有人着陸候補地付近に堆積している可能性が示されました。

●これまでに月のマントル物質のサンプルが地球に持ち帰られたことはありますか？

これまでに確認されたマントル物質のサンプルはありません。アポロ計画やソ連のルナ計画、中国の嫦娥計画で回収されたサンプルはすべて地殻由来のものです。2024年の嫦娥6号のサンプルにマントル由来の可能性がある物質が含まれているとの報告もありますが、今回の研究が示す南極の堆積物とは地質学的文脈が異なります。

●月マグマオーシャン仮説とは何ですか？なぜマントルサンプルが重要なのですか？

月マグマオーシャン仮説は、形成直後の月の外層が完全に溶融しており、冷却に伴って軽い鉱物が浮上して地殻を形成したとする説です。これは地球を含むすべての岩石惑星の形成を説明する基本モデルですが、これまで直接的なマントルサンプルがないため間接的な証拠に頼っていました。直接サンプルが得られれば、この仮説の具体的な予測を初めて検証できます。

●アルテミスIVとはどのようなミッションで、いつ実施される予定ですか？

アルテミスIVは、アルテミス計画において初の有人月面着陸を目指すミッションで、現在は2028年初頭を目標としています。2027年後半予定のアルテミスIIIでは有人着陸システムの試験が行われます。2026年5月のBlue Originのロケット爆発事故による影響が懸念されていますが、NASAからの公式な延期発表は現時点でありません。

元記事: Lunar Magma Ocean Hypothesis May Get First Direct Test at Artemis IV South Pole Landing Site