土星の衛星エンケラドゥスは、全球的な海を包み込む凍った殻であり、その南極付近では、地殻の亀裂から水蒸気と氷の粒子が、まるで屋内配管のメモを読まなかった間欠泉のように宇宙空間へ噴き出している。これらの粒子は、科学者が何キロメートルもの氷を掘り抜くことなく異星の海を研究する手段を与えてくれる。誰もそんなに長いドリルを持っていないのだから、これは便利である。

東京科学大学の地球生命研究所（ELSI）の研究者を含む国際チームは今回、その海水が地表下から移動し、最終的に宇宙で検出される微小な氷粒になるまでに何が起こるかを調査した。

2004年から2017年の間、NASAのカッシーニ探査機に搭載された宇宙塵分析装置は、エンケラドゥスから噴出する物質で絶えず供給されている土星のEリング内の個々の氷粒子の組成を測定した。ベルリン自由大学のフランク・ポストベルク教授が率いるチームは、タイプ3粒子として知られる塩分に富む粒の961個の質量スペクトルを調べた。もし粒が同じ海水の単なる小さなサンプルであれば、科学者たちはそれらが広く類似した塩の混合物を含んでいると予想したかもしれない。しかし実際には、塩化ナトリウムが特に豊富なものもあれば、炭酸塩、リン酸塩、塩化カリウムをより多く含むものもあった。特に顕著なパターンが一つある。塩化物と炭酸塩は、同じナトリウムに富む粒子の中に同時に現れることはほとんどなかったのだ。

これは基本的な謎を提起した。もしこれらの粒がすべて同じ海から来たのなら、なぜその化学組成はこれほど大きく異なるのか？これは、同じレストランで同じスープを注文するたびに、味付けが毎回まるで違うという惑星科学版である。

この疑問を探るため、ELSIの関根康人教授と同僚たちは、エンケラドゥスの海に存在すると考えられる主要な塩を含む実験室の液滴を作成した。研究者たちは異なるサイズの液滴を異なる冷却条件下で凍結させ、液滴が固化した後に化学元素がどのように分布するかを調べた。結果は、凍結の速度が主要な役割を果たすことを示した。

直径約200マイクロメートルの液滴では、凍結が比較的遅く、およそ毎分10K以下で起こると、塩は異なる領域に分離した。液滴がより速く凍結すると、その化学成分はずっと均一に混ざり合ったままだった。

「カッシーニが見た多様性が、本質的に同じ海水に由来する液滴から生じうることに驚きました」と関根氏は言う。「私たちの実験は、比較的大きな海水液滴がゆっくり凍結すると、異なる塩がその中で分離しうることを示しています。それらの凍結した液滴が後に砕けると、それぞれが非常に異なる化学組成を持つ、ずっと小さな氷粒を生み出すことができるのです。」

この発見は、衛星の氷殻内部で何が起こっているかについても何かを明らかにするかもしれない。以前の研究は一般に、エンケラドゥスからの海水噴霧は速く凍結し、海を離れた後すぐに宇宙へ向かって急速に移動すると仮定していた。新しい実験は異なるシナリオを示唆する。液滴は最初、地下の噴出系を通ってずっとゆっくり移動し、表面に近づく前に氷の亀裂を通る複雑な経路をたどるかもしれない。

研究者たちは、海水噴霧はまず数十から数百マイクロメートルのサイズの液滴を形成すると提案する。それらの液滴が噴出系のより深い部分をゆっくり移動するにつれて、徐々に凍結し、塩が異なる領域に分離するのに十分な時間を与える。表面に近づくと、条件が変わる。ガスがより速く動き始め、凍結した液滴は狭い氷のチャネルの壁に高速で衝突する可能性がある。それらの衝突は、液滴をずっと小さな破片に砕くかもしれない。各破片は元の凍結液滴内の異なる塩に富む領域から来ることができ、非常に異なる化学組成を持つ粒を作り出す。それらの破片はその後宇宙へ逃げ、土星のEリングの一部となる。

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