火星深部を構成する主要物質の音速測定に成功―火星コアの組成推定と、起源の解明に大きく前進：東京大学/東北大学/大阪大学/高輝度光化学研究センター/高エネルギー加速器研究機構ほか
(2020年5月13日発表)
東京大学大学院理学系研究科の西田圭佑助教（現在、ドイツ・バイロイト大学バイエルン地球科学研究所研究員）を中心とした研究グループは5月13日、高圧発生装置と放射光X線などを使って、火星コア（深部の核）を構成すると考えられる「液体鉄・硫黄合金」中の音速を精密に測定することに成功したと発表した。東北大学、大阪大学、（財）高輝度光科学研究センター、高エネルギー加速器研究機構（KEK）、東京工業大学との共同研究による。
火星は、隕石分析などからその深部に「液体鉄・硫黄合金」でできた金属コアがあると考えられている。しかしコアの大きさや詳しい組成などはまだ解明されていない。
NASA（米航空宇宙局）は１年半前に火星内部探査機「インサイト」を送り込み、火星表面に地震計を設置。これまでに150回以上の地震波を観測した。地震波の伝搬速度がわかると深部物質の成分が推測できる。これまでの記録はいずれも浅い領域の地震波であり、より深いコアの地震波が求められていた。
こうした地震波観測で火星コアの物質を特定するには、あらかじめ地上の実験室で同じような物質を伝わる音速を測定しておく必要がある。
実験室では、アンビルと呼ばれる静的な高圧発生装置の中心部に試料（鉄合金液体）を置き、20万気圧の超高圧をかけて火星深部のコア環境を再現する。そこに超音波パルスを打って試料中を伝わる音速を精密に測定する。技術的には極めて難しい手法で、これまでの音速測定は8万気圧以下に限られていた。
研究グループは、新たに開発したセラミックス円筒ヒーターで超高温を発生させ、高強度で低ノイズの超音波信号を取得できるようにした。
超音波信号を試料に向けて打ち込むと、試料の前面と背面で反射した超音波パルスはそれぞれ元の道を戻り、電気信号に変換されて観測される。前面と背面反射波の到達時間の差から試料中の音速がわかる。
圧力と試料中の硫黄量を変えながら何度も実験を繰り返し、最終的に火星コア最上部に相当する20万気圧まで、圧力・温度・硫黄量の変化が音速に与える影響を調べた。その結果、音速は温度や硫黄量が変化しても影響を受けず、圧力（深さ）のみで決まることが明らかになった。
火星コアが仮説通り「液体鉄・硫黄合金」でできていれば、探査機が設置した地震計の地震波速度が実験室の測定値と一致する。異なる場合はシリコンや酸素など別の不純物があると考えられる。
火星コアに含まれる不純物の種類と量は、火星の起源と深く関わっている。近い将来、NASAなどの探査によって火星コアの地震波速度が決定される。その際、硫黄が主要な不純物ではなく、他の不純物も含まれると分かった場合は、火星生成のシナリオの見直しにつながることになる。
地球は原始状態で微惑星が衝突（巨大衝突）し、月が誕生したと考えられている。火星も地球と同じように巨大衝突で2つの衛星（フォボスとダイモス）が誕生したとの説と、火星の重力によって微惑星が引きつけられ衛星として捕獲されたとの説があり、この議論に決着をつけることになる。
日本でもJAXA（宇宙航空研究開発機構）が火星の衛星に探査機を送る計画を進めており、衛星からサンプルを持ち帰って様々な議論に決着をつけようとしている。
