JUICE探査機が解き明かす氷衛星の内部：地下海洋探査を可能にする重力場マッピング
木星の巨大な重力に引かれながら周回するガリレオ衛星、特にガニメデ、カリスト、エウロパといった氷衛星は、その分厚い氷の下に液体の水でできた「地下海洋」が存在する可能性が指摘されており、生命の存在という壮大な問いに答える鍵として注目されています。欧州宇宙機関（ESA）の木星氷衛星探査機JUICE（Jupiter Icy Moons Explorer）は、これらの衛星の内部構造を詳細に調べることで、その謎の解明に挑んでいます。本記事では、JUICE探査機がどのように重力場マッピングという手法を用いて、氷衛星の内部、特に地下海洋の存在を探るのかを解説いたします。
氷衛星の内部構造を探る意義
なぜ、私たちは氷衛星の内部構造、特に地下海洋の有無にこれほど関心を寄せるのでしょうか。その最大の理由は、液体の水が生命の存在に不可欠であると考えられているからです。太陽系のハビタブルゾーン（液体の水が存在しうる領域）は地球軌道周辺が一般的ですが、木星系のような遠方でも、衛星の内部に液体の海洋が維持されているとすれば、新たな生命の可能性を見出すことができます。
また、衛星の内部構造を理解することは、これらの天体がどのように形成され、進化してきたのかという惑星科学の基本的な問いに答える上でも極めて重要です。例えば、木星の強力な潮汐力（天体の重力によって引き起こされる形状の変化）が衛星の内部を加熱し、氷を溶かすことで地下海洋が維持されていると考えられています。この潮汐加熱のメカニズムを理解するためにも、内部構造の詳細なデータが不可欠となります。
重力場マッピングとは何か
重力場マッピングは、探査機が天体の周囲を周回する際に受ける重力の微細な変化を精密に測定し、その天体の内部の質量分布や構造を推定する技術です。中学校の理科で学ぶように、物体には質量があるため重力が生じます。この重力は、天体の内部の物質がどのように分布しているかによってわずかに変化します。
具体的には、探査機は天体の周囲を飛行する際に、その軌道が天体の重力によってわずかに乱されます。この軌道の変化を、探査機と地球との間の電波通信のドップラー効果などを利用して非常に高い精度で計測します。例えば、天体の内部に密度の高い層や、逆に密度の低い空洞（地下海洋など）が存在すると、その部分を通過する探査機の重力の受け方が変化し、軌道に影響を与えるのです。
この微細な重力の変化を解析することで、天体が均一な球体ではなく、どのような層構造（核、マントル、氷殻、そして液体の海洋など）を持っているか、各層の密度はどの程度か、といった情報を「透視」するように知ることができます。
JUICE探査機による重力場マッピングの貢献
JUICE探査機は、搭載された高精度な電波機器とトラッキングシステムを駆使し、ガニメデ、カリスト、エウロパといった氷衛星の重力場マッピングを実施します。特にガニメデへの周回軌道投入は、太陽系において火星以遠の衛星への初の周回探査であり、その詳細な重力場データの取得が期待されています。
JUICEが取得する重力場データは、以下のような科学的知見をもたらすと期待されています。
- 地下海洋の存在と規模の特定: 重力場データから、氷殻と核の間に液体の水の層（海洋）が存在するかどうか、またその層の厚さや深さを推定することができます。密度の低い水の層は、重力の変化として現れるため、そのシグナルを捉えることで海洋の存在を示す有力な証拠となります。
- 内部構造モデルの構築: 地震波データがない中で、重力場データは、磁場データや地形データと組み合わせることで、各氷衛星の内部が、鉄の核、岩石のマントル、液体の水、そして氷の殻というように、どのような層で構成されているのかという「内部構造モデル」を構築する上で不可欠な要素となります。
- 潮汐加熱メカニズムの理解: 内部構造が詳細に分かれば、木星からの潮汐力が衛星内部にどれほどの熱を発生させているのか、そのエネルギーがどのように配分されているのかをより正確に評価できるようになります。これにより、地下海洋がどのようにして凍らずに維持されているのか、その謎の解明に大きく貢献するでしょう。
教育への示唆と展望
JUICE探査機による重力場マッピングの成果は、中学校の理科教育においても、宇宙探査の最前線を伝える非常に興味深いテーマとなり得ます。例えば、「重力」という基本的な物理法則が、遠い宇宙の天体の内部構造、ひいては生命の可能性を探る上でどのように活用されているのかを生徒に伝えることができます。また、科学的な仮説（地下海洋の存在）を検証するために、どのような探査手法（重力場マッピング）が用いられ、どのようなデータ（重力データ）が取得されるのか、そのプロセスを具体的に示すことで、科学的探求の面白さを伝えることができるでしょう。
JUICE探査機は、その「眼」を通して、私たちに木星の氷衛星の新たな姿を見せてくれるはずです。未来の科学者たちがこの探査の成果から新たなインスピレーションを得ることを期待し、その進捗を追っていきたいと考えております。