火星探査ローバーミッションからの科学情報

NASAの 2003 年火星探査ローバー ミッションは、火星の地質と大気に関する膨大な量の科学的情報を収集し、火星からの天文学的観測も提供しました。この記事では、オポチュニティ ローバーがミッションの初期段階で収集した情報について取り上げます。スピリットが収集した科学に関する情報は、主にスピリット ローバーの記事に記載されています。

2003年に開始された無人 火星探査ミッションでは、火星の表面と地質を調査するために、スピリットとオポチュニティという2台のロボット探査車が送られました。このミッションは、NASAジェット推進研究所のプロジェクトマネージャー、ピーター・タイシンガーと、コーネル大学天文学教授、スティーブン・スクワイアズ主任研究員によって指揮されました。

このミッションの科学的目標の第一は、火星の過去の水活動の手がかりとなるさまざまな岩石や土壌の探索と特徴の解明である。両探査車によって収集された膨大な量の科学的情報に敬意を表して、2つの小惑星に37452 スピリットと39382 オポチュニティという名前が付けられた。

2014年1月24日、NASAは、火星探査車キュリオシティとオポチュニティによる現在の研究では、独立栄養性、化学栄養性、または化学合成無機独立栄養性の微生物に基づく生物圏を含む古代生命の証拠、および居住可能であった可能性のある河川湖沼環境（古代の川や湖に関連する平原）を含む古代の水の探索が行われると発表しました。^{[1] [2] [3] [4]}火星での居住可能性、化石に関連する化石、有機炭素の証拠の探索は現在、 NASAの主な目的です。^[1]

2004 年 3 月 2 日、NASA は「オポチュニティは火星のかつて表面を液体の水が覆っていた地域に着陸した」と発表した。副長官のエド・ワイラーは記者団に対し、その地域は生命の痕跡は見つかっていないものの、「居住に適した環境だったはずだ」と語った。

この声明は記者会見でなされたもので、ミッションの科学者らは、この見解を強く裏付けるいくつかの観察結果を列挙した。

• 球状粒子の分布

仮説: 球状体は溶媒として水の中に生成される凝集体である。

競合仮説: 球状体は火山や隕石の衝突によって生成された、再硬化した溶融岩石の液滴である。

裏付けデータ: 岩石マトリックス内の球状体の位置はランダムで均一に広がっています。

スティーブ・スクワイアズ氏の発言: 「マフィンの中のブルーベリーのような小さな球状物がこの岩石に埋め込まれ、風化によって消えています。3 つの可能性、火山礫、小さな火山性の雹、1 つの可能性、2 つ、火山ガラスの滴、または衝突です。私たちはこれらのものを非常に注意深く観察しました。おそらくコンクリーションでしょう。もしそうなら、水を指し示しています。」

オポチュニティ探査機から得られた環境、化学、鉱物学のデータの詳細な分析により、競合する仮説が排除され、球状粒子は水性源からの堆積後の堆積性凝集物としてその場で形成されたという結論が確認されました^[5]

• 空洞

仮説: 岩石は、例えば降水によって水中で形成された。

競合仮説: 岩石は灰の堆積によって形成された。

裏付けデータ: 岩盤に見られる空洞は、浸食されて円盤状の結晶が残り、おそらく水環境で溶解した「空洞」に似ています。

スティーブ・スクワイアズ氏の発言: 2 つ目の証拠は、間近で見たときに、板状の穴がいくつもあいていたことです。よくある形状です。岩石の中で結晶が成長し、水から沈殿します。板状であれば、成長するにつれて板状の結晶になり、水の化学変化で消えたり、風化したりします。」

• 硫酸塩とジャロサイト

仮説: 水が岩石の中に特徴的な塩の化学物質を作り出した。

競合仮説: 岩石の化学組成は火山活動によって決定される。

裏付けデータ: 岩石中に硫酸塩とジャロサイト鉱物が見つかりました。地球上では、これらは溜まった水の中で生成されます (おそらく蒸発中に)。

スティーブ・スクワイアズ氏の発言：「次の証拠はAPXSから得られました。岩石の外側に硫黄が大量に含まれていることがわかりました。RATという研磨ツールを持って行き、2～4mm削ってみると、さらに多くの硫黄が見つかりました。この岩石は硫酸塩で満たされているということ以外、説明がつきません。これは液体の水の明らかな兆候です。ミニTESでも硫酸塩の証拠が見つかりました。何よりも説得力があったのは、 RATされた空間のメスバウアー分光計が、鉄(III)硫酸塩塩基性水和物であるジャロサイトの説得力のある証拠を示したことです。かなり珍しく、地球上で見つかり、いつか火星でも見つかるかもしれないと予測されていました。これは、水がないと生成できない鉱物です。」

2004 年 3 月 23 日、NASA は、オポチュニティが単に「水に浸かった」場所ではなく、かつては海岸地域だった場所に着陸したと考えていると発表した。「オポチュニティは、かつて火星の塩辛い海の海岸線だった場所に停泊していると考えています」とコーネル大学のスティーブ・スクワイアズ博士は語った。

この発表は、風ではなく水によって形成されたものと一致する堆積岩の証拠に基づいている。「細かく層をなした岩石の層状パターンは、最終的に結合した砂粒大の堆積物が、少なくとも深さ5センチ（2インチ）、おそらくはもっと深く、毎秒10～50センチ（4～20インチ）の速度で流れる水によって波紋を形作ったことを示している」とMITのジョン・グロッツィンガー博士は述べた。着陸地点は、浅瀬に覆われた大きな水域の端にある 塩原だった可能性が高い。

その他の証拠としては、岩石中に塩素と臭素が含まれていることが挙げられ、これは岩石が形成された後に、おそらく地下水源からのミネラル豊富な水に少なくとも浸かったことを示しています。臭素の発見の確実性が増したことで、水が蒸発する間に塩分濃度が飽和状態を超えて上昇したため、岩石形成粒子が地表水から沈殿したという主張が強化されました。

水の存在の証拠は一連の科学論文として発表され、最初の結果はサイエンス誌[ ^{6]に掲載され、その後、着陸地点の}堆積地質学に関する詳細な議論が地球惑星科学レター誌の特別号^[7]に掲載されました。

ミッションの初期段階で、ミッションの科学者たちは、イーグル・クレーターの豊富な球状粒子が、軌道から発見された地域の 赤鉄鉱の源であることを証明することができた。

地質学者たちは、ヘマタイトが豊富な地域（右の写真の中央）に行き、土壌を詳しく調べることに熱心でした。そうすれば、ヘマタイトがこの場所にどのように到達したかという秘密が明らかになるかもしれません。火星のヘマタイトがどのように形成されたかを知ることは、科学者が過去の環境を特徴づけ、その環境が生命にとって好ましい条件であったかどうかを判断するのに役立つかもしれません。

「灰色のヘマタイトは、過去の水の存在を示す鉱物です」と、JPLプロジェクト科学者のジョイ・クリスプ博士は語った。「常に水と関係があるわけではありませんが、そうである場合が多いのです。」

1998年、マーズ・グローバル・サーベイヤーが火星の赤道付近でこの鉱物の大規模な集中を発見して以来、科学者たちは、これらのプロセスのどれが火星の灰色ヘマタイトを生成したのかを突き止めたいと考えてきた（右の写真参照）。この発見は、火星の歴史に水が含まれていた可能性があることを示す最初の鉱物証拠となった。

「ヘマタイトの粒が丸みを帯びて液体の水の作用で固まったように見えるのか、それとも火山の溶融物から成長した結晶なのかを知りたいのです」とクリスプ氏は言う。「ヘマタイトが層状になっているのは水によって堆積したことを示唆するのか、それとも岩石の脈状になっているのは水が岩石を流れてきたことのより特徴的なのか」

次の写真は、他の惑星の表面で作成された初めての鉱物マップです。これは、ローバーの Mini-TES から取得したデータを重ねたパノラマ写真の一部から生成されました。Mini-TES のスペクトル データは、鉱物ヘマタイトの濃度を推定し、そのレベルを色でコード化する方法で分析されました。赤とオレンジは高濃度、緑と青は低濃度を意味します。

次の写真は、地質学者がオポチュニティの着陸地点周辺でヘマタイトが豊富な場所を選択するのに役立つ、ヘマタイトの豊富さを示す「インデックス マップ」です。青い点はヘマタイトの少ない地域、赤い点はヘマタイトの多い地域です。色のついた点は、オポチュニティが着陸機から離陸し、探査車が青い半円の中心に位置した後、ソル 11 に小型熱放射分光計によって収集されたデータを表しています (分光計はパノラマ カメラ マストにあります)。

左側のエリア（ヘマタイトの濃度が高い）は、ミッションのメンバーによってさらなる調査のために選択され、「ヘマタイト・スロープ」と呼ばれています。

ソル23（2月16日）に、オポチュニティはヘマタイト・スロープの土壌に溝を掘り、地層の詳細の調査を開始しました。

オポチュニティが撮影した土壌の顕微鏡画像には、小さな球形の粒子が写っていた。この粒子は、探査車が着陸船から火星の土壌へと移動した直後のソル10日に撮影された写真で初めて確認された。

オポチュニティが最初の溝を掘ったとき(ソル 23)、下層の写真には同様の丸い球体が写っていた。しかし今回は表面が非常に光沢があり、強い輝きとぎらつきを生み出していた。「球体は光沢があり、磨かれたように見えます」と科学チームのメンバーであるアルバート イェンは 2 月 19 日の記者会見で述べた。「データによって、何が球体を変化させているのかが解明されることを期待しています」と彼は述べた。同じ記者会見で、スクワイアズ博士はこれを主要な疑問の 1 つとして挙げた。「これらの球体はどこから来たのか、上から落ちてきたのか、それともその場で成長したのか?」

ミッションの科学者らは 3 月 2 日、岩盤内の球状物質の分布調査を終えたと報告した。彼らは、球状物質が岩石内部に層状ではなく、均一かつランダムに広がっていることを発見した。これは、球状物質がその場で成長したという説を裏付けるものである。なぜなら、球状物質の起源が火山活動や隕石の爆発に関係しているなら、各出来事の「時間的記録」として球状物質の層が存在すると予想されるからである。この観察結果は、球状物質が形成されたと考えられるこの岩盤の場所に液体の水が存在した証拠のリストに加えられた。

3月18日、「ベリーボウル」と呼ばれる地域の調査結果が発表された。この場所は、ボウル型の小さな窪みがある大きな岩で、その中に多数の球状物が蓄積されていた。MIMOS II メスバウアー分光計を使用して、窪みとそのすぐ横の岩の領域を分析した。測定データの違いは、球状物の材料に起因するものとされた。得られた「スペクトル」には大きな違いが見つかった。「これはヘマタイトの指紋です。したがって、ベリーに含まれる主要な鉄含有鉱物はヘマタイトであると結論付けました」と、ドイツのマインツ大学の探査車科学チームの協力者であるダニエル・ロディオノフ氏は述べた。この発見は、球状物が鉄が溶けた湿った状態で成長するコンクリーションであるという結論を強めるものと思われる。

グセフ平原の岩石は玄武岩の一種である。鉱物の オリビン、輝石、斜長石、磁鉄鉱を含み、粒子が細かく不規則な穴があいているため火山玄武岩のように見える（地質学者は気泡や空洞があると言うだろう）。 ^{[8] [9]} 平原の土壌の多くは地元の岩石の崩壊から生じたものである。一部の土壌ではニッケルがかなり多く含まれていたが、これはおそらく隕石由来のものと思われる。^[10] 分析により、岩石は微量の水によってわずかに変化していることがわかった。岩石の外側のコーティングと内部の亀裂は水に沈着した鉱物、おそらく臭素化合物を示唆している。すべての岩石には細かい塵のコーティングと1つ以上のより硬い物質の皮が含まれている。1つのタイプはブラシで払い落とせるが、もう1つは岩石研磨ツール（RAT）で削り落とす必要がある。 ^[11]

コロンビアヒルズ（火星）にはさまざまな岩石があり、その一部は水によって変化していますが、大量の水によるものではありません。

グセフクレーターの塵は、火星全体の塵と同じである。塵はすべて磁性があることが判明した。さらに、スピリットは、磁性は鉱物の磁鉄鉱、特にチタン元素を含む磁鉄鉱によって引き起こされることを発見した。1つの磁石ですべての塵を完全にそらすことができたため、火星の塵はすべて磁性があると考えられる。^{[12]塵のスペクトルは、軌道を周回する衛星によって検出された}タルシスやアラビアなどの明るく熱慣性の低い領域のスペクトルに似ていた。おそらく1ミリメートル未満の薄い塵の層がすべての表面を覆っている。その中には、化学的に結合した少量の水が含まれているものがある。^{[13] [14]}

アディロンダック

上:スピリットのパンカムで撮影したアディロンダックのほぼ実物大のカラー画像 右: RATグラインド (スピリットの岩石粉砕ツール)後のアディロンダックのデジタル カメラ画像 (スピリットのパンカムから)
機能タイプ	ロック
座標	南緯14°36′ 東経175°30′ / 南緯14.6° 東経175.5° / -14.6; 175.5

平原の岩石を観察すると、輝石、カンラン石、斜長石、磁鉄鉱などの鉱物が含まれていることがわかります。これらの岩石はさまざまな方法で分類できます。鉱物の量と種類により、岩石は原始玄武岩（ピクライト玄武岩とも呼ばれる）になります。この岩石は、玄武岩コマチアイトと呼ばれる古代の地球上の岩石に似ています。平原の岩石は、火星から来た隕石である玄武岩シャーゴッタイトにも似ています。ある分類システムでは、グラフ上でアルカリ元素の量とシリカの量を比較します。このシステムでは、グセフ平原の岩石は、玄武岩、ピクロ玄武岩、テフライトの接合部近くにあります。アーバイン-バラガー分類では、それらを玄武岩と呼んでいます。^[8] プレインズの岩石は、おそらく薄い水の膜によってわずかに変化している。なぜなら、岩石はより柔らかく、臭素化合物である可能性のある明るい色の物質の脈と、コーティングや外皮を含んでいるからである。少量の水が亀裂に入り込み、鉱化プロセスを誘発した可能性があると考えられている。^{[9] [8]} 岩石のコーティングは、岩が埋もれ、薄い水と塵の膜と相互作用したときに発生した可能性がある。これらの岩石が変化したことを示す兆候の1つは、地球上で見つかった同じ種類の岩石と比較して、これらの岩石を粉砕するのがより簡単だったことである。

スピリットが最初に研究した岩はアディロンダックでした。それは平原にある他の岩の典型的なものであることが判明しました。

• 
  グセフクレーターの最初のカラー写真。岩石は玄武岩であることが判明しました。すべてが微細な塵で覆われており、スピリットは鉱物の磁鉄鉱が原因で磁性があると判定しました。
• 
  グセフクレーターの平原の典型的な岩石の断面図。ほとんどの岩石には、塵の層と 1 つ以上のより硬い層があります。水に沈着した鉱物の鉱脈と、カンラン石の結晶が見えます。鉱脈には臭素塩が含まれている場合があります。

科学者たちはコロンビアヒルズでさまざまな種類の岩石を発見し、6つの異なるカテゴリーに分類しました。6つとは、クロービス、ウィッシュボーン、ピース、ウォッチタワー、バックステイ、インディペンデンスです。各グループの主な岩石にちなんで名付けられています。APXSで測定された化学組成は、互いに大きく異なります。^[15]最も重要なことは、コロンビアヒルズのすべての岩石が、水性流体によるさまざまな程度の変質を示していることです。^[16] これらの岩石は、リン、硫黄、塩素、臭素などの元素が豊富で、これらはすべて水溶液で運ぶことができます。コロンビアヒルズの岩石には、玄武岩ガラスに加えて、さまざまな量のカンラン石と硫酸塩が含まれています。^{[17] [18]} カンラン石の豊富さは、硫酸塩の量に反比例して変化します。これはまさに予想されることで、水はカンラン石を破壊しますが、硫酸塩の生成を助けるからです。

酸性の霧がウォッチタワーの岩石の一部を変えたと考えられています。これはカンバーランドリッジとハズバンドヒルの頂上の200メートルの区間で発生しました。特定の場所では結晶性が低下し、非晶質化が進みました。火山からの酸性の水蒸気がいくつかの鉱物を溶かしてゲルを形成しました。水が蒸発するとセメントが形成され、小さな隆起ができました。この種のプロセスは、玄武岩が硫酸と塩酸にさらされたときに実験室で観察されています。^{[19] [20] [21]}

クローヴィス・グループは、メスバウアー分光計（MB）によって針鉄鉱が検出されたため、特に興味深い。^[22]針鉄鉱は水がある場合にのみ形成されるため、その発見はコロンビア・ヒルズの岩石に過去に水があったことを示す最初の直接的な証拠である。さらに、岩石と露頭のMBスペクトルは、カンラン石の存在が大幅に減少していることを示しているが、^[17] 岩石にはかつて多くのカンラン石が含まれていた可能性がある。^[23]カンラン石は水があると簡単に分解するため、水がないことの指標となる。硫酸塩が発見されたが、これは水がないと形成されない。ウィッシュストーンには、多量の斜長石、いくらかのカンラン石、無水物（硫酸塩）が含まれていた。ピース岩石には硫黄と結合水の強力な証拠が見られ、水和硫酸塩が疑われる。ウォッチタワー級の岩石にはカンラン石がないため、水によって変質した可能性がある。インディペンデンス層には粘土（おそらくスメクタイト族のモンモリロナイト）の痕跡がいくつか見られました。粘土は、かなり長期間水にさらされて形成されます。コロンビア丘陵のパソ・ロブレスと呼ばれる土壌は、硫黄、リン、カルシウム、鉄を大量に含んでいるため、蒸発沈殿物である可能性があります。^{[24]また、MBは、パソ・ロブレスの土壌の鉄の多くが酸化されたFe +++}型 であることを発見しました。これは、水が存在していた場合に発生するものです。^[13]

6年間のミッション（本来は90日間しか続かないはずだったミッション）の中頃には、土壌中に大量の純粋なシリカが発見された。シリカは、水が存在する状態での火山活動によって生成された酸性蒸気と土壌の相互作用、または温泉環境の水から生じたものである可能性がある。^[25]

スピリットが停止した後、科学者たちは小型熱放射分光計（ミニTES）の古いデータを調べ、大量の炭酸塩を豊富に含む岩石の存在を確認した。これは、惑星の地域にかつて水が存在していた可能性があることを意味する。炭酸塩は「コマンチェ」と呼ばれる岩石の露頭で発見された。^{[26] [27]}

要約すると、スピリットはグセフ平原でわずかな風化の証拠を発見したが、そこに湖があったという証拠は発見しなかった。しかし、コロンビア丘陵では、中程度の水性風化の明確な証拠があった。証拠には硫酸塩、水がある場合にのみ形成される鉱物の針鉄鉱と炭酸塩が含まれていた。グセフクレーターには昔湖があったと考えられているが、その後火成岩で覆われてしまった。すべての塵には磁性成分が含まれており、これはチタンを含む磁鉄鉱であると特定された。さらに、火星のすべてを覆っている薄い塵の層は、火星のどの部分でも同じである。

2004 年 3 月 11 日の記者会見で、ミッションの科学者たちは、これまで測定されたことのない火星大気の温度プロファイルを初めて発表しました。これは、オポチュニティのMini-TES 赤外線分光計から取得したデータと、火星グローバルサーベイヤー (MGS) 周回衛星に搭載された TES 機器から取得したデータを組み合わせることで得られました。これは、オポチュニティが6 km の高さまでしか見ることができず、MGS カメラでは地上までデータを測定できなかったため、必要でした。データは 2 月 15 日 (ソル 22) に取得され、2 つのデータ セットに分割されています。周回衛星は移動中であるため、一部のデータはオポチュニティのサイトに近づいているときに取得され、他のデータは遠ざかっているときに取得されました。グラフでは、これらのセットは「インバウンド」(黒色) と「アウトバウンド」(赤色) としてマークされています。点は Mini-TES (= ローバー) データを表し、直線は TES (= 周回衛星) データです。

MERローバーによる大気科学は、サイエンス誌^{[28] [29]}および地球物理学研究ジャーナル^[30]に一連の科学論文として発表されている。

オポチュニティは日食、すなわちフォボスの太陽面通過とデイモスの太陽面通過を観測し^[31]、火星の空に明るい天体として現れた 地球を写真に撮りました。

2005 年 1 月 12 日、 UTC 14:45 頃から UTC 23:05 頃まで、水星が火星を通過する現象が発生しましたが、カメラの解像度では水星の 6.1 インチ角直径を観察できませんでした。

デイモスが太陽面を通過する様子が観測されましたが、その角直径は 2 ' で、水星の角直径 6.1" の約 20 倍の大きさです。

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• Sqyures, SW; Knoll, AH; Arvidson, RE ; Clark, BC; Grotzinger, JP; Jolliff, BL; McLennan, SM; Tosca, N; et al. (2006). 「メリディアニ平原での2年間: オポチュニティ探査機による成果」. Science . 313 (5792): 1403–1407. Bibcode :2006Sci...313.1403S. doi :10.1126/science.11​​30890. PMID  16959999. S2CID  17643218.{{cite journal}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)