月は地球のマグマオーシャンからできた

巨大衝突説の矛盾を「京」によるシミュレーションで解く

R-CCS Newsletter No.19 : Interview
中嶋 隆人 理化学研究所 計算科学研究センター 量子系分子科学研究チーム チームリーダー

細野 七月 Natsuki Hosono

海洋研究開発機構 付加価値情報創生部門 数理科学・先端技術研究開発センター 計算科学・工学グループ
特任技術研究員

撮影:古末拓也

地球を回る月はどのようにできたのでしょう?
原始地球に別の天体が衝突して形成されたという巨大衝突説が有力ですが、
月と地球の同位体比がよく似ているという観測結果とは矛盾しています。
細野さんたちは、原始地球にマグマオーシャンの存在を想定すると、
この矛盾が解消されることをシミュレーションで示しました。
新たに開発されたシミュレーション法は、津波の予測にも役立ちます。

月はどのようにできたのか?

「月は私たちにとって身近な天体ですが、惑星科学の目で見ると奇妙な性質をもっています」と細野さんは言います。まず、月の直径は地球の4分の1ほどで、これは衛星としてはちょっと大きすぎるのです。太陽系には地球のほかに3つの岩石惑星がありますが、水星と金星に衛星はなく、火星はごく小さい衛星を2つもつだけです。また、月と地球のペアは、他の岩石惑星に比べて回転(角運動量)が大きいという特徴もあります。

この「奇妙な」月がどのように形成されたのかについて、これまでいくつもの説が提唱されてきました。たとえば、遠心力により地球から分裂してできたという説、地球と同時かつ同様に形成されたという説、遠くからやってきた天体が地球に捕捉されたという説などです。しかし、月の構造と運動の両方をうまく説明できるものはありませんでした。

そんな中で、1970年代半ばに巨大衝突説が提案されました(図1)。これは、「原始地球に火星ぐらいの大きさの天体が斜めから衝突し、衝突の高温で岩石が揮発したガスが地球を回る軌道に円盤状に広がり、やがてガスが冷えてできた粒が重力により合体して月が形成された」というものです。「あまり起こりえないようにも思えますが、太陽系の形成過程では惑星どうしの衝突が頻繁にあったと考えられています。この説は、ほかの説と比べて月の構造や運動を無理なく説明できるうえに、2000年代には、急激な計算機の発達により複数のコンピュータ・シミュレーションが行われ、それらにより月が形成されうると検証されたため、もっとも有力な仮説とみなされるようになりました」

巨大衝突のシミュレーションでは、月は原始地球ではなく、おもに衝突したほうの天体から形成されるという結果が得られています。ところが、1970年代のアポロ計画で持ち帰られた月の岩石を2000年代になって分析したところ、いくつもの元素の同位体比が地球の岩石と一致することが示され、この一致は、その後の高精度分析でより確実となりました。つまり、月の岩石は原始地球に由来すると考えられるようになったのです。こうして、巨大衝突説は大きな矛盾を抱えることになりました。

図1 巨大衝突説とその問題点

原始地球にマグマオーシャンがあったとしたら

この矛盾を解消しようとさまざまな仮説が提案されましたが、いずれも、月ができる確率は非常に低いものでした。もっと確率の高いシナリオを求め、見逃している要素はないかと考えていた米国イェール大学の唐戸俊一郎教授は、2014年、巨大衝突時の原始地球にマグマオーシャンがあったという説を提案します。マグマオーシャンとは文字どおり岩石の溶融したマグマの海で、地球の形成初期の一定期間、表面を覆っていたと考えられています。巨大衝突を受けた際、地表が固体の岩石であるか液体のマグマオーシャンであるかによって衝突時の高温に対する挙動が大きく異なるため、ぶつかってきた天体よりもマグマオーシャンのほうが多く飛び出すと予想したのです(図2)。この成分が固まれば、地球由来成分の月ができることになります。

ちょうどそのころ、細野さんは、理化学研究所計算科学研究機構(現 計算科学研究センター)の粒子系シミュレータ研究チーム(チームリーダー:牧野淳一郎 博士)に所属していました。「唐戸先生は地球科学の専門家ですが、シミュレーションは経験がない。一方、牧野先生は天体のシミュレーションが専門です。このお二人が高校の同窓生だった縁でたまたま会う機会があり、このシナリオの話が弾んでコラボレーションが決まり、私がシミュレーションに取り組むことになりました。巨大衝突のシミュレーションは米国が中心で、やや停滞気味の印象があったので、新しい道を切り開きたいという気持ちで研究を始めました」

マグマオーシャンをシミュレーションに採り入れるため、細野さんはまず、唐戸先生の助力を得て、液体の岩石の挙動を示す新しい状態方程式を考案しました。また、シミュレーション手法として、細野さんが開発してきたDISPH(Density Independent Smoothed Particle Hydrodynamics)法という新たな手法を発展させました。「従来は、天体を粒子の集まりと考えるSPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)法が用いられていましたが、標準的なSPH法では、金属核とマントルの境界のように密度が急激に変化する箇所をきちんと扱えません。そこで、私は学生時代から、この点を改良したいと考えてDISPH法の開発に取り組んできたのです」。しかし、DISPH法のように粒子に基づく計算は、時間と場所によって粒子の密度が大きく異なるため単純に並列化しても効率が悪く、超並列型のスパコンである「京」の能力をうまく生かすことは困難です。そのため、細野さんら牧野チームは、計算量を自動的に平均化して並列化できる新たなソフトウェアFDPS(Framework for Developing Particle Simulator)を開発しました。

図2 マグマオーシャン説

現在の月のもとになる円盤ができた

状態方程式、DISPH法、FDPSの3つが揃ったことにより、マグマオーシャンで覆われた原始地球への巨大衝突のシミュレーションが実現しました。「計算にあたって、原始地球は、中央に金属核、その周囲にマントル、いちばん外側に深さ1500 kmのマグマオーシャンという3層構造をもつとしました。また、衝突した天体は、金属核とマントルの2層構造としました。これらは、惑星科学的には十分にありうる想定です」

図3はシミュレーション結果の一例です。巨大衝突後、ジェットのように物質が吹き出し、やがて、原始地球の軌道を回る円盤が形成されました。一方、衝突後に一度離れていった衝突天体は、約40時間後にふたたび原始地球に衝突して合体しました。「ここで重要なのは、再衝突後の円盤の質量と組成です。円盤の質量は現在の月より大きく、原始地球に由来する成分が質量の70%以上を占めていました。私たちは、この条件の円盤から月ができたとすると、現在の月の質量と組成を説明できると考えています」

細野さんたちは、同様のシミュレーションを、さまざまな衝突速度と衝突角度で行いました。1回の衝突をシミュレーションするだけでも膨大な計算が必要になりますが、このように多くの場合について計算できたのは「京」の計算パワーがあってのことです。計算の結果、月より大きい質量をもち、成分の70%以上が原始地球由来である円盤ができる場合が、何通りもあることがわかりました(図4)。

細野さんたちは、原始地球が固体だと想定したシミュレーションも同様に行いましたが、こうした条件の円盤は形成されませんでした。こうして、マグマオーシャンの存在を想定すれば、地球と似た同位体比の月がかなりの確率で形成されることがわかり、巨大衝突説の矛盾を解決できることが示唆されました。

図3 マグマオーシャン説のシミュレーション結果の一例

図4 さまざまな衝突速度と衝突角度で行ったシミュレーションの結果

新たな研究に向けて

細野さんは、この結果が得られたとき、「こんなにうまくいくわけがない」と思い、自分の直感が間違っているのか、理論が間違っているのか、計算コードが間違っているのか、ずいぶんと考えたそうです。それほど順調に得られた結果ですが、「これですべて解決したというわけではなく、今回の論文にも賛否両論が寄せられています。今後は、原始地球にはマグマオーシャンが、いつ、どのぐらいの期間、どのぐらいの規模で存在したのかを考えなければなりませんし、現在の月の質量と組成を説明できる円盤の条件も検討する必要があります」

月の形成は重要な現象だけに研究者も多く、議論は続きそうですが、細野さんたちの結果が、今後の研究にとって大きな一歩となったことは間違いありません。さらに、「巨大衝突は太陽系のほかの惑星や、太陽系外においても起こったと考えられます。このような惑星の多様性を考える際にも、今回の結果は、重要な示唆を与えると思います」

一方、細野さんが開発したDISPH法は、地震や津波、土石流のシミュレーションにも力を発揮します。これまで、「京」では、標準的なSPH法により町単位の津波遡上シミュレーションが成功していますが、後継のスーパーコンピュータ「富岳」でDISPH法による計算を行えば、「日本全体、さらには、全球のシミュレーションも可能かもしれません」と、ポスト「京」の重点課題3「地震・津波による複合災害の統合的予測システムの構築」のメンバーでもある細野さんは言います。細野さんたちの研究成果は、今後、天文学や惑星科学に限らず、防災・減災への応用も期待されているのです。

(取材・執筆:サイテック・コミュニケーションズ 飯田啓介/青山聖子)

まだまだ気になるQ&A

  • Q:新しいことに挑戦するためのモチベーションはなんですか?
  • A:大学院生のときから、手堅くて結果の出やすい研究テーマよりも、新規性が高く先の見えないような研究テーマに惹かれ、そのぶん、たくさん苦労もしてきました。大学院時代の恩師にいただいた「残念ながら、君には論文をたくさん書ける、経済的にも安定した人生は望めないよ。その代わり、成功したときにはすごくいいことがある」という言葉が支えになっています。今の研究者は論文の数で評価されることが多いのですが、自分は1本の論文で勝負していきたいと思っています。
  • Q:英語はどうやって勉強しましたか?
  • A:海外への留学経験はなく、日本にいながら英語を学びました。じつは、オンラインゲームが好きで、ゲームで海外の人とチームを組み、コミュニケーションしながら戦うことによって英語が使えるようになったのかもしれません。趣味を通じて英語を勉強するのは有効かもしれませんね。
  • Q:今後はどういった研究をしたいですか?
  • A:今回の研究は一段落したので、あとはほかの方にお任せして、新しい研究テーマを探しているところです。このところ、シミュレーションに集中し、シミュレーション手法や計算方法の開発からはやや離れていたので、大規模計算の効率化に取り組みたいと思っています。個人的には、「富岳」が完成したとき、最初に全ノードを使って計算した人になりたいですね。最初はうまくいかないでしょうが、だからこそおもしろいので。