海洋惑星の低重力は温水の循環を維持するのに役立つかもしれない

KSM の火口底に (2023 年 1 月) 新たに形成された (2018 年以降) 溶岩丘 (黒色で黄色の熱水鉱物の染み)。ROV ジェイソンは、最近噴出した溶岩の中に新たに形成された熱水噴出孔 (右下の黄色に染まった部分) に温度センサーを挿入する準備をしています。(©ウッズホール海洋研究所)

カリフォルニア大学サンタクルーズ校のチームメンバーが主導した新たな研究では、複雑なコンピューターモデルを使用して、太陽系の外側の海洋惑星に見られる低重力の影響が、海底下の水の流れと熱にどのように影響するかを調査しました。

この研究は、ウッズホール海洋研究所（WHOI）の上級科学者クリス・ジャーマン氏が率いる、NASAの複数機関による「海洋世界の探査」プログラムの一環として実施された。この研究は、地球上で最も原始的な生命体の一部が生息する海底熱水噴出が、太陽系外縁部の巨大惑星を周回する他の「海洋世界」衛星でも発生する可能性に新たな光を当てた。

ROV ジェイソンのマニピュレーター アームが等圧ガス密閉 (IGT) サンプラーを使用して、カマエワカナロア海山 (KSM) の温かい (約 40°C) 噴出孔流体を収集しています (2023 年 1 月)。(©ウッズ ホール海洋研究所)

私たちの太陽系には、現在または過去に液体の海があった惑星や衛星など、多くの「海洋世界」があります。これらの海洋世界の中には、海底に流れ込み、循環して温められ、再び流れ出る水熱循環を引き起こすのに十分な熱を内部で放出しているものもあります。地球では、これらの流れが熱と化学物質を運び、その一部は豊かな海底生態系を支える鍵となります。これらの岩石熱流体システムは、1970年代に地球の海底で発見され、多くの科学者が太陽系の他の場所に存在する可能性があると考えています。これは、生命を育む可能性があることから、特に興味深いトピックです。カリフォルニア大学サンタクルーズ校の研究チームは、ブルーマーブル宇宙科学研究所、WHOI、ナント大学の同僚と協力して、地球で見られるような熱水システムが、他の海洋世界の低重力条件下でどのように異なる可能性があるかを示す新しい研究をJournal of Geophysical Research: Planetsに発表しました。

地球の海底にある高温の噴出孔（「ブラックスモーカー」と呼ばれることもある）について聞いたことがある人は多いでしょう。ここでは、300 °C 以上に加熱された流体（地球の海面における水の沸点よりもはるかに高温）が海に噴出し、金属鉱石を堆積させて、外来生物の生存に役立っています。これらの高温システムは主に海底下の火山活動によって発生しますが、地球の海底では、より低温の流体が主に「背景」の冷却によって、はるかに大量の流体が流入したり流出したりしています。

「低温の噴出孔から流れる水は、放出される水の量で言えば、地球上のすべての河川や小川から放出される水の量に相当し、地球の熱損失の約4分の1を占めています」と、研究の筆頭著者でカリフォルニア大学サンタクルーズ校の地球惑星科学（EPS）の著名な教授であるアンドリュー・フィッシャー氏は述べた。「約50万年ごとに、海水の全量が海底から汲み上げられ、排出されます。」

「エウロパとエンケラドゥス（木星と土星の衛星）の熱水循環に関するこれまでの多くの研究では、より高温の流体が考慮されており、漫画やその他の図には、地球のブラックスモーカーのように見える海底のシステムが描かれていることが多い」と、カリフォルニア大学サンタクルーズ校のEPS研究者で、この新しい論文の3番目の著者であるドナ・ブラックマン氏は説明する。「より低温の流れも、少なくとも同じくらい、あるいはそれ以上に発生する可能性がある」

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論文の第二著者で、カリフォルニア大学サンタクルーズ校のEPS博士課程のクリスティン・ディッカーソン氏は、研究の根拠について次のように説明した。「私たちは、何年も研究されてきた地球の海底下の海水循環システムに注目しました。北西太平洋の深海で発見されたもので、冷たい海底水が1つの海山（死火山）から流れ込み、50km移動した後、別の海山から流れ出ています。」この水は流れながら熱を集め、流れ込んだときよりも暖かくなり、化学的性質も大きく異なります。研究者たちは、その地球システム用に開発されたコンピューターモデルを使用し、重力の値を変えて、さまざまな条件（加熱量、岩石特性、流体循環深度など）で流れがどのように変化するかを調べました。

ある海山から別の海山への流れは浮力によって動かされる。水は温まると密度が下がり、冷えると密度が上がるからだ。密度の違いによって岩石内の流体圧力に差が生じ、このシステムは流れそのものによって維持される。「私たちはこれを熱水サイフォンと呼んでいます」とフィッシャー氏は言う。「熱が供給され、岩石の性質が循環を許し続ける限り、このシステムは機能し続けることができます」。海洋惑星の中には大きな潮汐によって加熱されるものもあり、海洋惑星が巨大惑星の周りを偏心軌道で周回する際に曲げられると熱が発生することがある。

新しい論文は、地球よりも重力が低い場合、海底への流入と流出を促す浮力が小さくなり、水の循環が遅くなり、熱が奪われる傾向があることを示している。同時に、重力が低いと浮力が小さくなるため、海底下の二次混合も少なくなり、エネルギーを消費して露頭間の流れを減らす傾向がある。

新しい論文で取り上げられているシミュレーションから得られた興味深い結果の 1 つは、非常に低い重力 (土星の小さな衛星エンケラドゥスの海底で見られるような) の下では、低温から中程度の温度で循環が何百万年または何十億年も、つまり太陽系の寿命全体にわたって継続できるということです。これは、地球よりもはるかに重力が低い小さな海洋惑星が、海底下で長寿命の流体循環システムを持つことができる理由を説明するのに役立ちます。熱抽出の効率が低いため、寿命がかなり長くなる可能性があります。さらに、一部のシミュレーションでは、海底下の循環が比較的浅いにもかかわらず、噴出孔の流体の温度が 150 °C まで上昇し、地球上の生命の上限をわずかに上回りました。全体として、これらのシミュレーションは、低重力によって温度と流量が大幅に変化すること、そしてそのため、地球上で見られるものと比較して、排出される流体の化学的性質に影響を与える可能性が高いことを示しています。

惑星科学者たちは、海洋惑星にどのような条件が存在するか、あるいは存在する可能性があるかを判断するために、衛星ミッションによる観測に期待を寄せています。新しい論文の著者チームは、海洋惑星探査プロジェクトに協力している同僚とともに、今秋フロリダ州ケープカナベラルで行われるエウロパクリッパー宇宙船の打ち上げに出席する予定です。

この論文の共著者でもあるWHOIのジャーマン氏によると、「この研究の重要な成果は、低温（生命にとって熱すぎない）の熱水系が、地球外の海洋惑星で、同様の生命が地球上で最初に定着するまでにかかった時間よりはるかに長い時間スケールで維持されていた可能性があることを示唆している点です。したがって、太陽系の外側の海洋惑星も居住可能であり、おそらく生命を宿している可能性があります。」