太陽にいちばん近い水星の北極では、氷が黒っぽい層の下に隠れていた

水星は、太陽にいちばん近い惑星です。NASAによると、昼の温度は430℃にもなります。面積あたりに受ける日光の強さは、地球の約6.7倍です。

ところが、その水星の北極には、水の氷があります。2012年、NASAの探査機メッセンジャーの観測から、そう発表されました。ただ、氷の多くは、むき出しではありません。厚さ10〜30cmの黒っぽい層の下に隠れているのです。

氷が見つかるまでには、長い時間がかかりました。最初のヒントは、1991年に地球から水星に当てた電波でした。それが本当に氷だと確かめられたのは、21年後のことです。

この記事では、まず、水星の北極に日が差さない場所がある理由を説明します。次に、1991年の電波の観測から、2012年の探査機による確認まで、誰がどうやって氷を見つけたかを順に見ます。最後に、日の差さない場所で、どうやって氷の写真を撮ったのかを紹介します。

01水星の自転の軸はほとんど傾いていないので、北極のクレーターの底には日が差さない

地球の自転の軸は、23.44度傾いています。一方、NASAのデータ表によると、水星の軸の傾きは0.034度しかありません。ほぼまっすぐ立っているのです。2012年のNASAの発表文も、水星の軸の傾きを「1度より小さい」と書いています。

軸がまっすぐだと、極では、太陽はいつも地平線すれすれの低い所にあります。すると、極の近くの深いクレーター（隕石などがぶつかってできた丸いくぼ地）の底には、日の光が一度も差しません。クレーターのふちが、いつも影を作るからです。

NASAの資料によると、こうしたクレーターの底は、計算ではずっと冷たいままです。約102ケルビン（約−171℃）より温度が上がらない場所があるはずだというのです。

水星には、空気がほとんどありません。そのため、日の当たった氷は、すぐに気体になって宇宙へ逃げてしまいます。氷が残れるのは、一度も日が当たらない場所だけなのです。

021991年、地球から当てた電波が、水星の北極で氷のようにはね返ってきた

1991年8月、地球から水星に電波が当てられました。当てたのは、研究者のスレード（M. A. Slade）らです。NASAのゴールドストーンにある直径70mのアンテナから電波を出し、はね返ってきた電波を、26台のアンテナで受けたのです。この観測の目的は、それまで探査機が写していなかった水星の残り半分を、電波で画像にすることでした。

1974〜1975年に水星の近くを通った探査機マリナー10号は、水星の半分ほどしか写せていなかったのです。

ところが、電波で作った画像の北極に、電波を強くはね返す明るい場所がありました。しかも、そのはね返り方には特徴がありました。それまでは、火星の氷の多い場所や、木星など外側の惑星の氷の衛星でしか、見られなかったはね返り方だったのです。

同じころ、プエルトリコのアレシボ電波望遠鏡でも、水星の北極と南極に明るい場所が見つかりました。南極の明るい場所は、主にチャオ・メン・フーというクレーターの底にありました。

これで「水星の極には氷がある」と決まったわけではありません。NASAの資料によると、氷ではなく、金属を含む別の物質でも、電波の明るさを説明できる可能性がありました。地球から電波を当てるだけでは、中身までは分からなかったのです。

032012年、探査機メッセンジャーは、3つの方法で北極の氷を確かめた

2011年3月18日、探査機メッセンジャーが水星を回り始めました。NASAの探査機で、水星を回った最初の探査機です。2004年に地球を出発してから、6年半以上かかっています。

2012年11月29日、メッセンジャーの研究チームは、3本の論文を同時に発表しました。それぞれ、違う方法で北極を調べたものです。

1本目は、水素の量の測定です。メッセンジャーは、水星の地面から飛び出してくる中性子という小さな粒の数を数えました。その数の変化から、地面にどれだけ水素があるかが分かります。北極のあたりでは、飛び出してくる中性子の数が減っていました。これは、水の氷があると考えると説明できる結果でした。

2本目は、レーザーを使った測定です。メッセンジャーは、地形を測るために、1000万回以上もレーザーを水星に撃っていました。そのレーザーのはね返りから、日の当たらない場所の表面の明るさも分かったのです。北極側を向いた斜面に、とても明るい所と、とても暗い所が見つかりました。

3本目は、温度の計算です。レーザーで測った本物の地形を使って、北極のどこがどれだけ冷たいかを計算しました。すると、電波で明るく見えた場所は、氷が長く残れるはずの冷たい場所と、よく重なりました。

04氷の多くは、厚さ10〜30cmの黒っぽい層の下に隠れている

3つの結果を合わせると、北極の氷の様子が分かってきました。

いちばん冷たい場所では、氷が表面にむき出しになっています。レーザーで明るく見えたのは、この氷だと考えられています。

それより少し暖かい場所では、氷は表面には残れません。温度の計算では、地面の少し下でだけ氷が残れます。中性子の測定によると、電波で明るい場所では、平均すると、厚さ10〜30cmの水素の少ない層が表面をおおっています。その下に、数十cmより厚い、ほとんど純粋な水の氷の層があるのです。レーザーで暗く見えたのは、氷の上にかぶさった、この上の層だと考えられています。

なお、この厚さは、2012年のNASAの発表文では「10〜20cm」と書かれていました。この記事では、論文に載った「10〜30cm」を使っています。

研究者の一人に、カリフォルニア大学ロサンゼルス校のペイジ（David Paige）がいます。ペイジは、この暗い物質を、複雑な有機物（炭素を含む物質）が混ざったものだろうと考えています。有機物は、すい星や、水などの蒸発しやすい物質を多く含む小惑星がぶつかったときに、水と一緒に運ばれてきたのかもしれません。水星の強い放射線を浴びて、さらに黒くなった可能性もあるそうです。

この黒っぽい層は、氷を熱から守る断熱材のような役目をしていると考えられています。

052014年、クレーターの壁にはね返ったわずかな光で、氷の写真が撮れた

日が一度も差さない場所の氷を、カメラで写すことはできるのでしょうか。2014年10月、その写真が発表されました。発表したのは、ジョンズ・ホプキンス大学応用物理学研究所（APL）のナンシー・シャボー（Nancy Chabot）らです。

使ったのは、メッセンジャーの広い範囲を写すカメラです。クレーターの底に直接日は当たりません。でも、日の当たったクレーターの壁では、光が少しだけはね返ります。そのとても弱い光で、影の中を写したのです。

主に写されたのは、プロコフィエフというクレーターです。北極の近くで、電波の明るい場所を持つクレーターの中では、最も大きなものです。写真では、電波で明るかった場所が、光でも明るく写っていました。表面に出ている氷だと考えられています。

写真からは、氷の年代についての手がかりも見つかりました。ある場所では、氷の表面に、その下にある小さなクレーターのでこぼこが見えていました。氷は、その下のどのクレーターよりも後から来たことになります。また、黒っぽい層の境目は、くっきりしていました。こうした様子から、水星の極の氷は、最近運ばれてきたか、くり返し補われているかのどちらかだと考えられています。

06まとめ

水星は、昼は430℃にもなる、太陽にいちばん近い惑星です。でも、自転の軸の傾きが0.034度しかないため、北極のクレーターの底には日が一度も差しません。そこに、水の氷があります。1991年の電波の観測でヒントが得られ、2012年に探査機メッセンジャーが3つの方法で確かめました。

氷の多くは、厚さ10〜30cmの黒っぽい層の下に隠れています。そして2014年、研究者たちは、クレーターの壁にはね返ったわずかな光を使って、真っ暗なクレーターの底の氷を写真に写しました。