第14章宇宙からの試料と太陽系の起源Cosmic Samples and the Origin of the Solar System

The atmospheres of the planets were formed by a combination of gas escaping from their interiors and the impacts of volatile-rich debris from the outer solar system. Each of the terrestrial planets must have originally had similar atmospheres, but Mercury was too small and too hot to retain its gas. The Moon probably never had an atmosphere since the material composing it was depleted in volatile materials.

惑星の大気は、内部から抜け出したガスと、太陽系の外側から来た揮発性物質に富む破片の衝突とが組み合わさって形成された。地球型惑星はそれぞれ、初めは似た大気を持っていたはずだが、水星はガスをつなぎ留めるには小さすぎ、また高温すぎた。月を構成する物質は揮発性物質に乏しかったため、月はおそらく一度も大気を持たなかった。

The predominant volatile gas on the terrestrial planets is now carbon dioxide (CO₂), but initially there were probably also hydrogen-containing gases. In this more chemically reduced (hydrogen-dominated) environment, there should have been large amounts of carbon monoxide (CO) and traces of ammonia (NH₃) and methane (CH₄). Ultraviolet light from the Sun split apart the molecules of reducing gases in the inner solar system, however. Most of the light hydrogen atoms escaped, leaving behind the oxidized (oxygen-dominated) atmospheres we see today on Earth, Venus, and Mars.

地球型惑星で現在最も多い揮発性のガスは二酸化炭素（CO₂）だが、初めには水素を含むガスもあっただろう。この、より化学的に還元的な、水素が優勢な環境には、一酸化炭素（CO）が大量にあり、少量のアンモニア（NH₃）やメタン（CH₄）もあったはずだ。しかし、太陽からの紫外線は、太陽系内側の還元性ガスの分子を分解した。軽い水素原子の大部分が逃げ、酸化された、酸素の影響が優勢な大気が残った。それが今日、地球・金星・火星に見られる大気である。

The fate of water was different on each of these three planets, depending on its size and distance from the Sun. Early in its history, Mars apparently had a thick atmosphere with abundant liquid water, but it could not retain those conditions. The CO₂ necessary for a substantial greenhouse effect was lost, the temperature dropped, and eventually the remaining water froze. On Venus the reverse process took place, with a runaway greenhouse effect leading to the permanent loss of water. Only Earth managed to maintain the delicate balance that permits liquid water to persist on its surface.

水の運命は、大きさと太陽からの距離に応じて、三惑星でそれぞれ違った。火星は初期には、厚い大気と豊富な液体の水を持っていたらしいが、その条件を維持できなかった。強い温室効果に必要なCO₂が失われ、気温が下がり、やがて残った水は凍った。金星では逆の過程が起こり、暴走温室効果によって水は永続的に失われた。表面に液体の水が残れる微妙な釣り合いを保てたのは、地球だけだった。

With the water gone, Venus and Mars each ended up with an atmosphere of about 96 percent carbon dioxide and a few percent nitrogen. On Earth, the presence first of water and then of life led to a very different kind of atmosphere. The CO₂ was removed and deposited in marine sediment. The proliferation of life forms that could photosynthesize eventually led to the release of more oxygen than natural chemical reactions can remove from the atmosphere. As a result, thanks to the life on its surface, Earth finds itself with a great deficiency of CO₂, with nitrogen as the most abundant gas, and the only planetary atmosphere that contains free oxygen.

水がなくなった金星と火星には、それぞれ約96%の二酸化炭素と数%の窒素からなる大気が残った。地球では、初めに水が、次いで生命が存在したことで、まったく異なる大気が生まれた。CO₂は大気から取り除かれ、海の堆積物に蓄えられた。光合成のできる生物が増えるにつれ、自然の化学反応が大気から取り除ける量を超えて、酸素が放出されるようになった。その結果、地表の生命のおかげで、地球はCO₂が著しく少なく、窒素が最も多い気体となり、遊離した酸素を含む唯一の惑星大気を持つに至った。

In the outer solar system, Titan is the only moon with a substantial atmosphere. This object must have contained sufficient volatiles—such as ammonia, methane, and nitrogen—to form an atmosphere. Thus, today Titan’s atmosphere consists primarily of nitrogen. Compared with those on the inner planets, temperatures on Titan are too low for either carbon dioxide or water to be in vapor form. With these two common volatiles frozen solid, it is perhaps not too surprising that nitrogen has ended up as the primary atmospheric constituent.

太陽系の外側で、濃い大気を持つ唯一の衛星はタイタンである。この天体には、大気を作るのに十分な、アンモニア・メタン・窒素などの揮発性物質が含まれていたはずだ。そのため、現在のタイタンの大気は主に窒素からなる。内側の惑星の温度に比べ、タイタンの温度は二酸化炭素や水が蒸気として存在するには低すぎる。この二つのありふれた揮発性物質が凍って固体になっている以上、窒素が大気の主成分として残ったことは、さほど意外ではないだろう。

We see that nature, starting with one set of chemical constituents, can fashion a wide range of final atmospheres appropriate to the conditions and history of each world. The atmosphere we have on Earth is the result of many eons of evolution and adaptation. And, as we saw, it can be changed by the actions of the life forms that inhabit the planet.

自然は、同じ一組の化学成分から出発しても、それぞれの天体の条件と歴史に応じて、多彩な最終的な大気を作れることが分かる。地球の大気は、きわめて長い時間にわたる進化と適応の結果である。また、見てきたように、その惑星に住む生物の活動によって変わることもある。

One of the motivations for exploration of our planetary system is the search for life, beginning with a survey for potentially habitable environments. Mercury, Venus, and the Moon are not suitable; neither are most of the moons in the outer solar system. The giant planets, which do not have solid surfaces, also fail the test for habitability.

惑星系の探査の動機の一つは生命を探すことであり、まず生命が存在できる可能性のある環境を調べる。水星・金星・月は適さず、太陽系外側の衛星の大部分も適さない。固体表面を持たない巨大惑星も、生命が住めるかどうかの条件を満たさない。

So far, the search for habitable environments has focused on the presence of liquid water. Earth and Europa both have large oceans, although Europa’s ocean is covered with a thick crust of ice. Mars has a long history of liquid water on its surface, although the surface today is mostly dry and cold. However, there is strong evidence for subsurface water on Mars, and even today water flows briefly on the surface under the right conditions. Enceladus may have the most accessible liquid water, which is squirting into space by means of the geysers observed with our Cassini spacecraft. Titan is in many ways the most interesting world we have explored. It is far too cold for liquid water, but with its thick atmosphere and hydrocarbon lakes, it may be the best place to search for “life as we don’t know it.”

これまで、生命が存在できる環境の探索は、液体の水の存在に重点を置いてきた。地球とエウロパにはともに大きな海があるが、エウロパの海は厚い氷の地殻に覆われている。火星の表面には液体の水が存在した長い歴史があるものの、今日の地表は大半が乾燥し、冷たい。しかし地下の水には強い証拠があり、適切な条件なら、今日でも地表に水が短時間流れる。最も近づきやすい液体の水があるのは、エンケラドゥスかもしれない。カッシーニ探査機が観測した間欠泉を通して、水が宇宙へ噴き出している。タイタンは多くの点で、これまで探査した中で最も興味深い天体だ。液体の水にははるかに寒すぎるが、厚い大気と炭化水素の湖を持ち、「私たちの知らない形の生命」を探すのに最良の場所かもしれない。

We now come to the end of our study of the planetary system. Although we have learned a great deal about the other planets during the past few decades of spacecraft exploration, much remains unknown. Discoveries in recent years of geological activity on Titan and Enceladus were unexpected, as was the complex surface of Pluto revealed by New Horizons. The study of exoplanetary systems provides a new perspective, teaching us that there is much more variety among planetary systems than scientists had imagined a few decades ago. The exploration of the solar system is one of the greatest human adventures, and, in many ways, it has just begun.

これで惑星系についての学習は終わりに近づいた。過去数十年の探査機による探査で、ほかの惑星について多くを学んだが、まだ分からないことは多い。近年、タイタンやエンケラドゥスで見つかった地質活動は予想外であり、ニュー・ホライズンズが明らかにした冥王星の複雑な表面もそうだった。太陽系外の惑星系の研究は新しい視点を与え、数十年前の科学者の想像よりはるかに多様な惑星系があることを教えている。太陽系の探査は人類最大級の冒険の一つであり、多くの意味で、まだ始まったばかりなのだ。

After their common beginning, each of the planets evolved on its own path. Different possible outcomes are illustrated by comparison of the terrestrial planets (Earth, Venus, Mars, Mercury, and the Moon). All are rocky, differentiated objects. The level of geological activity is proportional to mass: greatest for Earth and Venus, less for Mars, and absent for the Moon and Mercury. However, tides from another nearby world can also generate heat to drive geological activity, as shown by Io, Europa, and Enceladus. Pluto is also active, to the surprise of planetary scientists. On the surfaces of solid worlds, mountains can result from impacts, volcanism, or uplift. Whatever their origin, higher mountains can be supported on smaller planets that have less surface gravity. The atmospheres of the terrestrial planets may have acquired volatile materials from comet impacts. The Moon and Mercury lost their atmospheres; most volatiles on Mars are frozen due to its greater distance from the Sun and its thinner atmosphere; and Venus retained CO₂ but lost H₂O when it developed a massive greenhouse effect. Only Earth still has liquid water on its surface and hence can support life.

共通の始まりの後、各惑星はそれぞれの道を進化した。地球・金星・火星・水星・月という地球型の天体を比べると、異なる結果がどのように生じうるかが分かる。いずれも岩石質で、分化した天体である。地質活動の程度は質量に比例し、地球と金星で最も大きく、火星では小さく、月と水星では見られない。しかしイオ・エウロパ・エンケラドゥスが示すように、近くの別の天体による潮汐も、地質活動を動かす熱を作れる。惑星科学者を驚かせたことに、冥王星も活動している。固体天体の表面の山は、衝突・火山活動・隆起によってできる。起源が何であれ、地表重力の小さな惑星ほど高い山を支えられる。地球型惑星の大気は、彗星の衝突から揮発性物質を得た可能性がある。月と水星は大気を失った。火星は太陽から遠く大気が薄いため、揮発性物質の大半が凍っている。金星はCO₂を保ったが、強大な温室効果が発達してH₂Oを失った。今も表面に液体の水を持ち、そのため生命を支えられるのは地球だけである。