13年にわたる地上レーダー研究が明かすエウロパの氷殻の秘密
注目画像: [エウロパの合成画像にレーダーデータを重ね合わせたもの; クレジット: NASA/JPL-Caltech/NSF/GBO]
13年にわたり、科学者たちは地球で最も強力な二つの電波施設を使って木星の氷衛星エウロパにレーダー信号を発射してきた。その結果、これまでにない最も詳細なエウロパの地上レーダー画像が完成し、驚くべき事実が確認された。エウロパの表面は典型的な惑星天体よりも鏡のように電波を反射しており、氷の下に液体の水の海が隠れているという説を強固にするものだ。
この研究は、2026年6月に開催されたアメリカ天文学会第248回会合で発表された。送信機にはカリフォルニアにあるNASAのゴールドストーン太陽系レーダー、受信機にはウェストバージニア州にある国立科学財団のグリーンバンク望遠鏡が使用された。この双静的構成により、研究者らはエウロパの氷表面がさまざまな回転方向でどのようにレーダー信号を反射するかを測定することができ、1987年から1991年にかけて崩壊したアレシボ天文台で行われた以前の観測をはるかに上回る範囲をカバーした。
三つの主要な発見
研究チームは三つの主要な結果を報告した。第一に、エウロパのレーダーアルベド（明るさ）は他の惑星天体よりもはるかに高く、アレシボ時代の測定結果と一致する。第二に、衛星の氷表面は、ほとんどの太陽系天体に見られる拡散散乱とは異なり、鏡のように高度に鏡面的にレーダー信号を反射する。第三に、研究はコヒーレント後方散乱効果を確認した。これは信号が純粋な水の氷を通過するときに高いレーダー反射率を生み出す現象である。
三つ目の発見は特に重要である。コヒーレント後方散乱効果は極めて純度の高い水の氷の特徴であり、エウロパ、ガニメデ、カリストの三つすべてに存在することは、三つのガリレオ衛星すべてが地下に液体の水の海を抱えているという証拠を強める。レーダー信号は氷と水の境界面で反射しているか、異常に純度の高い氷粒内でコヒーレントに散乱していると考えられる。
「エウロパ・クリッパーのような将来の惑星科学および宇宙飛行ミッションは、この種のレーダー科学の恩恵を受ける可能性がある」と、研究の共著者であるグリーンバンク天文台のウィル・アーメントラウト氏は述べた。「グリーンバンク望遠鏡のレーダー能力が進化し、現在開発中の新技術により、科学コミュニティにさらに多くのレーダー能力を提供できることを楽しみにしている。」
氷の下にあるもの
エウロパは地球の月よりわずかに小さく、地球外生命探査において最も有望な目標の一つと長い間考えられてきた。1995年から2003年にかけてのガリレオ探査機の磁力計データによって確認されたその地下海には、地球上のすべての海を合わせた量の約2倍の水が含まれていると推定される。
その海を覆う氷殻の厚さは、数十年にわたって激しい議論の対象となってきた。推定値は1キロメートル未満（0.5マイル）から数十キロメートルまで様々であった。2026年1月、NASAのジュノー計画が初めての確定的な測定値を提供した。2022年9月のエウロパ接近通過時に収集されたマイクロ波放射計データに基づき、平均厚さは約29キロメートル（18マイル）である。
NASAジェット推進研究所のジュノー計画科学者スティーブ・レビン氏は、この数値は伝導性外層を反映していると注意を促した。「18マイルという推定値は、純粋な水の氷殻の冷たく硬い伝導性外層に関するものだ」と同氏は述べた。より温暖な対流性内層が存在する場合、全殻厚はより厚くなる。氷に適度な量の溶解塩が含まれている場合、厚さは約5キロメートル（3マイル）減少するが、これは測定の不確実性の範囲内である。
ジュノーはまた、地表近くの氷の中に小さな散乱体を検出した。半径数センチメートル以下の亀裂や孔などの不規則構造で、深さ数百メートルまで及んでいる。その小さなサイズと浅い深さは、地表と海底の間を栄養分が移動する経路としては機能しそうにないことを示しており、エウロパの居住可能性を評価する上で重要な制約となる。
サウスウエスト研究所のジュノー主任研究者スコット・ボルトン氏はその重要性を強調した。「エウロパの氷殻の厚さと氷殻内の亀裂や孔の存在は、エウロパの潜在的な居住可能性を理解する上で極めて重要な二つのピースだ」と同氏は述べた。「これらは、現在木星系に向かっているNASAのエウロパ・クリッパーと欧州宇宙機関のジュースによるエウロパのさらなる研究に関連する重要な新情報を提供する。」
クリッパー、順調に航行中
NASAのエウロパ・クリッパーは、同機関がこれまでに建造した中で最大の惑星探査機であり、2024年10月に打ち上げられ、2030年4月に木星に到着する予定である。4年間の科学観測では49回のエウロパフライバイが計画され、最接近時には表面からわずか25キロメートル（16マイル）まで接近する。
搭載されている9つの機器の中には、REASON（エウロパ評価・測深レーダー：海から地表近くまで）がある。テキサス大学地球物理学研究所が製造したREASONは、300メートルから30キロメートルの深度を探査可能な二重周波数氷貫通レーダーを搭載している。2025年3月の火星スイングバイ中に、この機器は正常にテストされ、60ギガバイトのデータを返送した。
「フライバイから夢見ていたすべてのデータを得ることができた」とREASONの主任研究者ドン・ブランケンシップ氏は述べた。「目標はエウロパミッションに向けたレーダーの readinessを確認することであり、それは成功した。機器のすべての部分が意図したとおりに機能することを証明した。」
ゴールドストーンとグリーンバンクの研究は、クリッパーの軌道レーダー観測に対する地上ベースの補完を提供する。REASONが軌道からエウロパの氷殻構造を直接マッピングする一方、地上データは1980年代まで遡る長期的なベースラインを提供し、科学者らが数十年にわたる表面特性の変化を追跡することを可能にする。
2023年4月に打ち上げられ、2031年7月に木星に到着するESAのジュース計画は、エウロパへの2回の接近フライバイとカリストへの12回のフライバイを追加し、異なる軌道からの追加のレーダー探査と組成データを提供する。
エウロパが重要な理由
エウロパの海は、木星の強力な重力による潮汐加熱によって維持され、約40億年にわたって液体の状態が続いてきたと推定される。その長寿命と、海底の化学的エネルギー源、および表面から氷の中に酸化剤を供給する可能性を組み合わせると、エウロパは太陽系内で最も地球外生命の生息に適した場所の一つとなる。
新たな地上レーダーデータは、その全体像に重要な一片を加える。表面の純粋な水の氷、鏡のような反射層、そして直接測定によって制約された殻の厚さはすべて、クリッパーとジュースがこの10年の終わりに科学観測を開始する際に科学者らが検証するモデルの構築に役立つ。
アーメントラウト氏が述べたように、地上レーダーは軌道ミッションの代替ではなく、数十年にわたって継続的に運用できる補完手段である。クリッパーが木星に到着するまであと4年、ジュースがさらに長い軌道を飛行している現在、ゴールドストーンとグリーンバンクによる13年にわたる観測は、惑星科学者たちにエウロパの秘密に対する最も鮮明な地球からの視点をもたらした。
雅子 訳