月の火山は、地球に揉まれて長持ちしたのかもしれない。核とマントルの境目の柔らかい層が潮汐の熱を集め、赤道側の2か所に「異常帯」を作っていた

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2020年に中国の嫦娥（じょうが）5号が月から持ち帰った玄武岩は、年代を測ると約20億年前のものだった。月の火山活動は30億年ほど前にはあらかた終わっていたと考えられてきたので、それより10億年も後に溶岩が流れていたことになる。問題は、その熱がどこから来たかだ。成都理工大学のチェン・ミャオ（Miao Chen）さんらは、地球の重力が月の内部を揉む「潮汐加熱」を、月の奥の構造を入れて計算し直した。すると、核とマントルの境目に、放射性元素の発熱をはるかに上回る熱の帯が2つ現れた。論文は高等教育出版社の新しい学術誌 Planet に載っている。

月の火山は、地球に揉まれて長持ちしたのかもしれない。核とマントルの境目の柔らかい層が潮汐の熱を集め、赤道側の2か所に「異常帯」を作っていた

20億年前の溶岩に、熱源が足りない

月の直径は地球の4分の1ほどしかない。小さな天体は体積のわりに表面が広く、内部の熱が早く逃げる。月が約45億年前に巨大衝突の破片から生まれたとき持っていた熱は、とうの昔に冷めているはずだった。

それでも火山が動いていたのなら、別の熱源が要る。候補はいくつかあるが、どれも足りない。ウラン・トリウム・カリウムが崩壊するときに出る熱は時間とともに減る一方で、論文の計算では、約32億年前の月のマントルの発熱は体積1立方メートルあたり60億分の1ワットほどまで落ちていた。小惑星の衝突も局所的には岩を溶かすが、月に大きなクレーターを刻んだ激しい衝突の時代は、20億年前よりずっと前に終わっている。嫦娥5号の試料を報告した2021年の Nature の論文も、この若い火山活動には追加の熱源が必要だと書いていた。

32億年前の月は、地球を16日で回っていた

そこで候補に上がるのが、潮汐加熱だ。天体が楕円の軌道で親の天体を回ると、近づいたときと遠ざかったときで重力の引き方が変わり、内部が周期的に伸び縮みする。この変形の摩擦で中が温まる。木星の衛星イオがいまも火山だらけなのは、この仕組みによる。

いまの月は地球から遠く、軌道もほぼ円なので、揉まれ方は弱い。しかし昔は違った。論文が使った軌道は、南アフリカの約32億年前の地層に残る潮汐の縞から復元されたもので、月と地球の距離はいまの7割ほど、公転周期はいまの27日に対して約16日だった。軌道の楕円の度合い（離心率）は、いまの0.05から、初期の地球と月の共鳴から推定される0.5までの幅を取っている。離心率が大きいほど、周期が短いほど、潮汐の熱は増える。

これまでも早い時期の月の潮汐加熱は計算されてきた。ただ、その多くは月を一様な球として扱っていた。実際の月には、核とマントルの境目に「超低粘性層」と呼ばれる、まわりの岩より桁違いに柔らかい層がある。月の潮汐による変形の観測値を説明するために、原田雄司さんらのチームが2014年に Nature Geoscience で提案した構造だ。推定される粘性はまわりのマントルの1万分の1より小さい。潮汐の熱は柔らかいところで集中的に出るので、この層を無視するかどうかで答えが変わる。

核のすぐ上、赤道側の2か所に熱が集まった

チームは、超低粘性層を含む層構造の月に、32億年前の軌道で潮汐の力をかけたときの発熱を場所ごとに計算し、それをマントルの対流の数値模型に流し込んで、10億年以上の変化を追った。

出てきた発熱の分布は、まったく一様ではなかった。熱は核とマントルの境目に鋭く集中し、しかも境目のうち赤道側の2か所に、対称な形で偏っていた。チームはこれを「潮汐加熱異常帯（THAZ）」と名づけている。ここで断っておくと、この2つの帯は模型の断面に現れる特徴であって、月の内部を観測して地図にしたものではない。論文は、固体どうしが接する境目では赤道側で変形のエネルギーが熱に変わりやすく、超低粘性層がそれを増幅する、と説明している。

熱の量を放射性元素と比べると、こうなる。発熱が最大値の半分を超える範囲は、マントル全体の体積の2.5%にすぎない。その範囲での放射性元素の発熱は349億ワット。同じ範囲での潮汐の発熱は、離心率を0.5とすると1,500億ワットで、放射性元素の4倍を超える。最大値どうしで比べれば、境目の潮汐の発熱は、マントルの平均的な放射性元素の発熱の100倍にあたる。要旨が「同時期の放射性加熱より1桁大きい」と書いているのは、この単位体積あたりの比較を指していると読める。

ただし、離心率を今と同じ0.05にすると、同じ範囲の潮汐の発熱は15億ワットまで落ち、放射性元素のほうが多くなる。「桁違いの熱」は、初期の月の軌道が大きく歪んでいたという推定の上に立っている。もっとも、その弱いほうの場合でも、マントルの下部の温度は岩が溶け始める温度の近くまで上がる計算で、放射性元素の熱と合わされば部分的に溶ける、と論文は見ている。

熱の帯が、重い層を持ち上げて浅いところに置き去りにした

離心率0.5の計算では、境目の温度は最大で400度上がり、帯は10億年以上消えなかった。核の上にこれだけの熱がたまると、マントルの底から上昇流（プルーム）が立ち上がる。

ここで、月のもう一つの謎とつながる。月が生まれた直後のマグマの海が固まる最後の段階で、チタンに富む重い鉱物の層ができた。重いので沈んでマントルの底に落ちたと考えられていて、論文の模型でも核の上に厚さ300キロメートルの重い層を置いている。アポロ11号と17号が持ち帰った約37億年前の玄武岩はチタンが多く、この層が材料になったと見られるが、底に沈んだ重い層を再び溶かして持ち上げる熱が、これまで足りなかった。潮汐の帯は、まさにその場所に熱を足す。模型では、上昇流がこの重い層を浅いところまで運び上げている。

月の磁場とも話が合う。月の岩石に残る磁化から、月の核のダイナモは5億年以上続いたとされる。小さな核がそんなに長く対流を続けるには、熱の出入りを保つ仕組みが要る。境目が潮汐で温められ続ければ核が冷めにくくなり、ダイナモが長持ちする。そして月が地球から遠ざかるにつれて潮汐の熱は急に減り、約32億年前を過ぎると磁場を支えられなくなる。これは岩石の記録が示す磁場の急な減衰の時期と一致する、と論文は書く。月のダイナモが早い時期から働いていた話は、月の裏側に埋もれた火山の記事でも触れた。

そして20億年前の嫦娥5号の玄武岩だ。その化学組成は、深さ100キロメートルより浅いところにあったチタンに富む岩が溶けてできたことを示している。重い層の一部は、なぜか沈みきらずに浅いところに残っていた。論文の説明はこうだ。潮汐の熱で立ち上がった上昇流が、沈もうとする重い層を支え続け、やがて熱が衰えて上昇流が消えたあとも、運び上げられた分は浅いマントルに取り残された。その取り残しが、ずっと後に溶けて嫦娥5号の溶岩になった。熱源そのものが20億年前まで続いたのではなく、熱源が元気だったころに材料が浅いところへ運ばれ、そこで待っていた、という筋書きになる。

計算が示したことと、まだ示していないこと

この模型が答えていないこともある。月の海（黒く見える溶岩の平原）は地球に向いた表側に偏っているが、模型の上昇流は赤道に沿って対称に出るので、表裏の違いは説明しない。チームはこの偏りを、地殻の厚さの違いがマグマの出口を決めた結果と見ていて、深い熱源と表面の地殻の両方が組み合わさって、いまの月の顔ができたとしている。

模型の簡略化も、論文自身がいくつも挙げている。潮汐の発熱とマントルの対流は簡便な方法でつないであり、温度差の大きい上昇流の中では熱の出方を少なめに見積もっている可能性がある。岩が溶けるときに奪われる熱や、マグマが熱を運び出す効果は入れていない。解像度も粗い。チームは今回の結果を「控えめな下限」と位置づけ、将来の高解像度の計算や月の地震観測で、この古い時代の名残を探せると書いている。

月は、いまも1年に3.8センチメートルずつ地球から離れている。逆にたどれば、昔の月は大きく空にかかり、地球に強く揉まれていた。その揉まれ方が核の上に熱をため、月の火山と磁場を長持ちさせたのだとすれば、月の歴史の半分は、地球との距離の歴史でもある。

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