米航空宇宙局（NASA）は2024年、50年以上ぶりに月面に真新しい足跡を付けに行く計画を立てている。アポロ計画では宇宙飛行士たちの月面滞在期間はほんの数日にすぎなかったが、今回のミッションはクルーが長期的に月面にとどまれるようにすることが目標だ。
月で人類が持続的に滞在できるようにするには、月面で自給自足する方法を見つける必要がある。大気がなく過酷な月面環境を考えると、かなり難しい課題だ。そこで宇宙飛行士たちのために、NASAは月の土で居住シェルターをつくり、肥料として尿を利用しようと計画している。しかし、そのために月面でどれだけの水が必要になるかは、まったく予測がつかない。
水は月探査クルーの生命維持のためだけでなく、水素と酸素に分解してロケットの燃料をつくるために必要になる。そのために必要になる大量の水氷が月の極域に存在することを、NASAは何年も前から把握していた。
問題になるのは、極域で検出された水氷の多くが大きなクレーターの底にあるということである。そうした場所は温度が極端に低く、地形も険しいうえに太陽光が当たらないことから、水氷の捜索と採取の任を担うロボット探査機にさまざまな問題が生じてしまう。
ところが、英科学誌『Nature Astronomy』に9月26日付で掲載されたふたつの論文により、月には従来考えられていたよりもはるかに多くの水が存在する可能性が高いことが明らかになった。また、その分布は月の南極に広範囲に広がる永久影（常に太陽光が当たらない領域）の中だけに限らないと判明したのである。
太陽光が当たる部分にも水が存在
NASAゴダード宇宙飛行センターの博士研究員であるケーシー・ホニボール率いる研究チームは2018年の後半、ジャンボジェットの愛称で知られたボーイング747型機をNASAが改造してつくった天文台を使って月面の水を探索した。「空飛ぶ天文台」とも呼ばれる遠赤外線天文学成層圏天文台「SOFIA（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy）」には、水の存在が検知可能な赤外線の波長域を用いて月面を遠隔から調査するための特殊な観測装置が搭載されている。
このSOFIAを用いて、ホニボールは月の南半球にあり月の表側では2番目に大きいクラヴィウス・クレーターに焦点を当てて観測を実施した。そして水の分子（H2O）がクレーター全体にわたり広く存在しているだけでなく、太陽光が当たる部分にもあることを発見したのだ。
「これまで水分子は、月面では存続できないと信じられていました」と、ホニボールは10月23日夜の記者会見で語っている。彼女が観測を始める前は、科学者たちは月面に水分子が存在するとすれば、永久に影になっている“コールドトラップ”に閉じ込められた状態に限られると考えていた。コールドトラップ内の温度は常にマイナス128℃以下に保たれているからだ。
月の水分子は、個体とも液体とも気体ともいえないほど濃度が低いH2Oである。このため永久影以外の場所では放射線によって破壊されてしまうか、日光に熱せられて月面に飛散し、最終的にコールドトラップに到達してから冷やされて水氷になると思われていた。「今回、月面に水分子が確実に存在することが確認できたのです」と、ホニボールは言う。
「何らかの作用」が発見に寄与？
ホニボールの観測データは、月の水が形は違えど永久影の外でも存続できることを示している。発見された水分子は氷としてではなく、ガラス質のレゴリス（天体表面に積もった土壌で隕石の衝突片や砂れきや塵などの堆積層）に閉じ込められたかたちで存在しており、そのため厳しい月環境からおそらく守られているのだろうという。
「わたしたちが観測した場所の月面温度は約25℃で、水はこのような温度の真空中では安定した形を保てません」と、ハワイ大学の惑星科学者で論文の共著者であるポール・ルーシーは説明する。「その水が何らかの作用によってレゴリス粒子に閉じ込められたからこそ、わたしたちが観測できたのだと考えます」
ここで大きな問題が浮上する。その「何らかの作用」とは、いったい何なのだろうか？
ひとつの説は、水が陽子として太陽風に乗り、月に運ばれてきたというものだ。月面に飛来した陽子が酸素を豊富に含むレゴリスに触れて化学反応を起こし、水酸基（ヒドロキシ基）が生成された可能性がある。
水酸基（OH）とは、水（H2O）から水素原子（H）のひとつが欠けたものを指す。複数の探査機が収集したこれまでのデータから、水酸基が月面のいたるところに存在していることがわかっている。しかし、それらの探査機は、水酸基と水との違いを見分けるために必要な機材を備えていなかった。
「水酸基を探すことはわたしたちの計画に含まれていなかったので、月面の結合水の探索用に設計された観測機器というもの自体がなかったのです」と、テキサス州ダラスにある米惑星科学研究所の研究員マット・シーグラーは言う。シーグラーは今回のホニボールの研究にはかかわっていない。「水酸基の発見と実際に水分子を検出することでは、まったく別の話なのです」
活躍したSOFIA
そうは言っても、水素と酸素が豊富にあるなら水が見つかる可能性だって十分にあるはずだ。水酸基を水に変えるために必要な要素は、エネルギーだけである。
隕石が月に衝突すると、強烈な熱で水酸基分子が結合して水になる。また、その熱はレゴリスを溶かしてガラスに変え、水分子がそこに閉じ込められるというわけだ。あるいは、水は隕石の表面にすでに存在していて、それが月に衝突するときに、生成されたばかりのガラスにとり込まれるという説もある。
これまで水酸基と水を見分けるための機器を装備した月周回衛星は存在しなかったが、NASAのSOFIAには、電磁スペクトルの特定部分を観測することで水の痕跡を検出できる装置が搭載されている。「地球の大気には大量の水蒸気が含まれています。だから、そのシグナルを収集するにはできる限り大気圏の上層へ行く必要があるのです」と、ホニボールは語る。「この種の測定が可能なのは、SOFIAのほかにありませんでした」
水の構成要素である酸素と水素を採集し、呼吸できる空気やロケット燃料など月面滞在にとって有用なものに活用したいNASAにとって、ホニボールの発見は朗報である。水酸基でも同様のことが可能だが、こちらは月のレゴリスの粒としっかり結合しているので抽出が難しいからだ。
水があるといっても、利用に十分な量があるかどうかは不明である。ホニボールによると、「見る限りではあまり多いとは言えない」という。彼女が得たデータでは、レゴリスに含まれる水の量は100～400ppm（0.01～0.04パーセント）程度だという。「月面ミッションに利用するには少なすぎます。ですからわたしたちが本当に知りたいのは、もっとたくさんの水が含まれる場所がどこかにないかということなのです」
小さなコールドトラップの存在も明らかに
たとえ月面の水分子の量が将来の宇宙飛行士たちに役立つほど十分には無かったとしても、まだ希望はある。今回発表されたふたつ目の論文によると、月面上の日陰になっている「くぼみ」に閉じ込められた水氷が、これまで考えられていた量よりはるかに多い可能性が高いことを明らかにしたのだ。
インドの月探査衛星「チャンドラヤーン」から送られてきたデータによって2018年、月の南極の影に覆われた巨大なクレーターに水氷が存在することが明らかになっている。そして今回、コロラド大学ボルダー校の惑星科学者ポール・ヘインが主導する研究チームが、月面のいたるところに小さなコールドトラップがある可能性を発見したのだ。そうした場所のほうが、クレーターが集中する月極付近よりも探査ロボットやクルーが格段にアクセスしやすいという。
ヘインのチームは、NASAの月周回無人衛星「ルナー・リコネサンス・オービター（LRO）」から提供されたデータを基に作成したコンピューターモデルを用いて、月にはおそらく数百億にものぼる「マイクロ・コールドトラップ」があることを突き止めた。これらは小さなクレーターや地表の起伏でできる永久影であり、直径が数センチメートルしかないものもあるが、内部はどれも氷を捕らえておくには十分な低温が保たれている。
彼らのモデルによると、凍った水が存在しうる総面積は、この研究以前に算出されていた面積の約2倍になることが示唆されている。「わたしたちが目視できない極小のコールドトラップが、実際は月面を埋め尽くすほど遍在していることがわかりました」と、ヘインは言う。「月面に立って足元を見れば、あなたから数メートルの範囲に100円玉大のコールドトラップが何百個もあるのがわかります。それくらい、たくさんあるんです」
21年以降には無人探査も
以前はこうしたくぼみは無視されていた。その理由は、単純に科学者たちの目に見えなかったからだと、ヘインは言う。
LROの赤外線カメラは、250平方メートル以上のサイズのものしか捉えることができない。研究者たちはLROのこのデータを使って、LROが検出できない小さなものも含め月面のすべてのコールドトラップをモデル化したのだ。そして予測を立証するために、すでに存在が確認されている大きなコールドトラップのデータと彼らのモデルとを比較して検証を実施した。
しかし、予測されているマイクロ・コールドトラップの存在を証明するには、実際の月の地表データによる裏付けが必要になる。それに、たとえそうした小さなくぼみが発見されたとしても、それらが氷で満たされている保証はない。
2021年以降、NASAは月の周回軌道と地表で無人探査機によるミッションを開始する予定だ。その際に送り込まれるロボット探査機の多くに、水を探すための装置が搭載されることになっている。
そのうちのひとつには、コロラド大学のヘインの研究チームが開発したある装置が積み込まれる。これは実際のマイクロ・コールドトラップでその存在を示す初の証拠を収集し、コールドトラップ内に水が含まれているかどうか判断するためのものだ。なお、NASAは月の南極付近の氷を探すために特別に設計した小型無人探査機の開発パートナーに、ピッツバーグの宇宙ロボティクス開発会社のアストロボティック（Astrobotic）を選んでいる。
人類が最後に月面を去ってから50年。わたしたちは月に関して、実に多くのことを学んできた。しかし、今回発表されたこの研究結果は、解明すべき謎がまだたくさん残っていることを物語っている。
※『WIRED』による月の関連記事はこちら。
TEXT BY DANIEL OBERHAUS
TRANSLATION BY TOMOYO YANAGAWA/TRANNET