東京工業大学地球生命研究所の玄田英典特任准教授と神戸大学理学研究科の兵頭龍樹さん (博士後期課程3年)、ベルギー王立天文台のローゼンブラット博士、パリ地球物理研究所/パリ?ディドゥロ大学のシャノーズ博士、レンヌ第1大学の研究者らの国際共同研究チームは、火星の衛星「フォボス」と「ディモス」が月の起源と同じように巨大天体衝突 (ジャイアントインパクト) で形成可能なことをコンピュータシミュレーションにより解明しました。これは、宇宙航空研究開発機構 (JAXA) が2020年代に予定している火星衛星サンプルリターン計画により、火星衛星から火星物質を地球に持ち帰る可能性が高いことを意味しています。

この研究成果は、7月5日 (日本時間) に英国科学誌「Nature Geoscience」電子版に掲載されました。

火星の衛星フォボスとディモスは、火星の赤道面を円軌道で回る半径約10キロメートル、火星質量の約1000万分の1と非常に小さな衛星です。そのいびつな形状と表面スペクトルは、火星と木星の間に存在する小惑星に類似しており、その起源は長らく小惑星が火星の重力に捕獲されたもので考えられていました (捕獲説)。

一方で、火星の北半球には巨大天体の衝突により形成された太陽系最大のクレータ(ボレアレス平原)が存在することから、巨大天体衝突による火星衛星の形成 (巨大天体衝突説) も提案されていましたが、これまで具体的な形成過程を明らかにした研究はなく、火星衛星の存在は謎のままでした。

研究チームはまず、ボレアレス平原を形成する巨大衝突過程のシミュレーションを実施。その結果、巨大衝突による破片の大部分が火星近傍にばらまかれて厚い円盤が形成され、少量の破片が共回転半径^※1 の僅かに外側までばらまかれて薄い円盤が形成されました。さらに、この破片円盤の約半分が火星から、残り半分が衝突天体の物質から作られることがわかりました。

次に、巨大衝突により形成された円盤がどのように進化するのかを解明するため、円盤進化の詳細な数値計算を行いました。その結果、内側の重たい円盤からフォボス質量の約1000倍の巨大衛星が短時間で形成され、残った内側の円盤との重力作用によってより外側に移動、その過程で円盤外縁部を重力的な効果でかき混ぜることで外側に2つの小さな衛星 (フォボスとディモス) の集積を促しました。その後、共回転半径の内側に存在する巨大衛星は火星の重力により引き戻され火星と合体することで、現在観測されるフォボスとディモスのみが残ることが明らかになりました。

今回の研究により、火星衛星が巨大天体衝突により形成可能であることがわかりました。しかし、このことは火星衛星が捕獲起源であることを否定するものではなく、どちらの説が正しいのかは、火星衛星の物質を地球に持ち帰り、詳細に分析する必要があります。

現在JAXAが火星サンプルリターン計画を検討しており、2020年台の打ち上げを目指しています。今回の研究により示された巨大天体衝突説が正しければ、相当量の火星物質が火星衛星に含まれていることになります。その場合、米航空宇宙局 (NASA) が計画する火星本体からのサンプルリターンでなくとも、火星衛星から火星物質を地球に持ち帰ることができることを意味しています。

用語解説

※1： 共回転半径

中心惑星 (火星) の自転速度と衛星の公転速度が一致する距離

論文情報

タイトル

“Accretion of Phobos and Deimos in an extended debris disc stirred by transient moons”

DOI

10.1038/ngeo2742

著者

Pascal Rosenblatt, Sébastien Charnoz, Kevin M. Dunseath, Mariko Terao-Dunseath, Antony Trinh, Ryuki Hyodo, Hidenori Genda and Stéven Toupin

掲載誌

Nature Geoscience