『ダークマターと恐竜絶滅』（2015年）は、地球と周囲の宇宙との驚くべき相互関連性に着目しています。この本では、宇宙の大半を構成する目に見えないダークマターが、過去の大量絶滅や、いつの日か再び絶滅を引き起こすかもしれない彗星とどのように関係しているのかを解説します。
ダークマターとは何か？そしてそれが太陽系に与える影響を知る
かつて地球を闊歩していた壮大な巨人として永遠に見られてきた恐竜は、私たちの想像力と魅力をしっかりと掴んで離さないようです。過去数十年の間に、巨大な隕石が恐竜の大絶滅を引き起こしたことを示す証拠が積み重なってきました。しかし、地球の歴史を通じてこのような大量絶滅の出来事がなぜ繰り返し起こるのかを明らかにするかもしれない、より詳細な情報が今、明らかになりつつあります。そのような運命的な隕石の一因となったかもしれない力の一つがダークマターです。この奇妙な物質は、宇宙の物質の大部分を構成していると考えられています。
しかし、ダークマターが実際に何であるかを詳しく見る前に、まず、宇宙がどのように創造されたか、隕石がどのような役割を果たしてきたか、そしてダークマターがそれらに何らかの関係があったのかどうかを探ってみましょう。この要約では、次のようなことを発見できるでしょう。
- ダークマターが生み出す力
- 隕石が地球上の生命創造に重要な役割を果たした可能性
- 将来の巨大隕石についてどのような予測ができるか
ダークマターは見えなくても、理解できないわけではない
「見てから信じる」と言われたことはありませんか？確かに、何かを目に見える形で証拠を求めるのは良いことです。しかし、ダークマターに関しては、そう言っている場合ではありません。ダークマターはあなたの周りにあふれていますが、見ることはできません。実際、まさに今この瞬間にも、何十億ものダークマター粒子があなたの体を通り抜けているのです。
ダークマターは光と相互作用しないため、視覚的には知覚できません。また、ダークマターは電磁相互作用を持たないため、触れたり他の方法で感知したりすることもできません―少なくとも、科学がこれまでに発見した限りではそうです。したがって、ダークマターを構成する粒子の種類は不明ですが、それが人間に馴染みのある通常の原子や素粒子ではないことは明らかです。この点で、ダークマターは私たちの周りに存在する細菌のミクロの世界に少し似ています。細菌は見えませんが、健康な機能には不可欠です。さらに驚くべきことに、この目に見えないダークマターが、宇宙の全物質の85パーセントを占めているのです！
では、どのようにしてそれが分かるのでしょうか？ダークマターは重力との相互作用を通じて検出できます。宇宙にあるすべてのものは絶えず運動しており、惑星や恒星などの天体の運動速度は、太陽のような大質量の天体からの引力に大きく依存します。1930年代、科学者フリッツ・ツビッキーは、恒星や銀河の速度を追跡していたとき、それらの可視質量だけでは、作用している引力を説明するのに十分でないことに気づきました。このことから彼は、目に見えない物質が存在するに違いないと結論づけ、それをダンクレ・マテーリエ、すなわち「暗黒物質」と呼びました。
ダークマターは宇宙の形成に重要な役割を果たした
こうしてツビッキーはダークマターについて初めて理論化しましたが、それ以来、その正体を正確に解明するために多くの研究が費やされてきました。最も強力なデータの一部は、宇宙の形成時に生じた古代放射線である宇宙マイクロ波背景放射から得られています。この情報を分析することで、科学者はビッグバンからわずか38万年後、宇宙がまだ誕生したばかりの頃に存在した放射線、物質、エネルギーの量を計算することができます。実際、このデータはツビッキーらが行った研究と一致しており、可視物質の5倍のエネルギーを含む、大量のダークマターの存在を裏付けています。
さらに、そのデータは、銀河を構造化するために必要な重力を作り出す上で、ダークマターが不可欠であることを証明しました。ダークマターは放射線やガスと相互作用しないため、ビッグバンの後に宇宙の他のすべてが膨張している間にも、集まって重力を形成することができました。言い換えれば、ダークマターは、今日私たちの銀河と宇宙が保持する構造の基礎を築いたのです。例えば、私たちの太陽系は、45.6億年前に高密度のガスが収縮して太陽が形成されたときに生まれました。その後、ダークマターの助けを借りて、銀河全体に拡散していた物質が太陽の周りに円盤を形成し始め、惑星が作られました。
しかし、すべての惑星が同じように作られたわけではありません。実際、水星、金星、地球、火星など、太陽に近い惑星は、鉄やアルミニウムのような、簡単には燃え尽きない物質で構成されています。一方、木星や土星のような遠い惑星は、そうでなければ炎となって消えてしまったであろう他のすべての物質（その多くはガス状）を集めることができたため、より大きくなりました。その結果、太陽を除けば、木星、土星、天王星、海王星が太陽系の質量の99パーセントを占めています。
隕石は何十億年もの間地球に衝突し続け、生命の形成に重要な役割を果たした可能性がある
ここまでで、ダークマターが太陽や他の惑星の形成に不可欠だったことが分かりました。しかし、太陽系にはそれ以上に多くのものが含まれています。実際、地球の隣人である月や水星のクレーターは、太陽系がまだ安定していなかった頃、地球に定期的に隕石が衝突していたことを示しています。隕石とは何でしょうか？
基本的に、隕石とは、小惑星、流星、またはそれより小さな天体を問わず、地球の大気圏に突入するあらゆる地球外物質のことです。太陽系が形成される過程で、何十億もの小惑星が作られ、火星と木星の引力の間に、また太陽系の彼方に落ち着きました。地球におけるこうした隕石活動の大部分は、約38億年前の前期重爆撃期と、5億年前の後期重爆撃期の2つの時期に分類されます。では、これらの隕石活動の時期は地球にどのような影響を与えたのでしょうか？実は、私たちが地球から採掘する貴重な鉱物の多くは、これらの隕石に由来しているのです。
地球が形成され始めた頃、鉄やニッケルなどの重い元素は地球の中心核へと押しやられました。そのため、現在私たちが採掘している物質は、これらの元素に加えて、炭素、凍結したガス、水、さらにはタンパク質とDNAの構成要素であり、地球上の驚くべき生命の複雑さを可能にするアミノ酸を含む隕石によってもたらされました。科学者たちは、隕石に含まれるアミノ酸が地球上の生命の発展に大きな役割を果たした可能性があると理論化しています。生命は、38億年前の前期重爆撃期の後に地球上に出現し始めました。実際、科学者たちが世界中の化石記録を調査したところ、隕石の衝突直後に複雑な生命が急増した証拠を発見しました。例えば、中国の長江三峡では、三葉虫の化石が、隕石衝突の際に形成される化学的堆積物のすぐ上で見つかっています。このことは、そのような隕石が、現在は化石化した生物の発展において中心的な役割を果たしたことを示唆しています。
毎日地球の大気圏に突入する隕石とは異なり、彗星は独特である
長い歴史を通じて、地球は激しい隕石の爆撃期を経験してきました。しかし、こうした過去の出来事とは異なり、今日地球の大気圏に突入する宇宙のデブリのほとんどは、大きな影響を与えません。実際、合計50トンにもなる何百万もの微小な隕石が、毎日大気圏で燃え尽きています。ですから、大都市の光害から離れた晴れた夜には、空を横切る一筋の光、すなわち隕石が燃え尽きる証拠を見つけるのは難しくありません。
しかし、これらの天体現象を彗星と混同してはいけません。彗星は長く明るく燃える尾を持っています。それらは木星のはるか彼方、宇宙の氷の深部で発生し、太陽に近づくにつれて、ヘリウムやエタノールなどの凍結した成分が燃え始め、航跡に華麗な光のディスプレイを形成します。しかし、彗星にもその起源によっていくつかのカテゴリーがあり、短周期彗星または長周期彗星と呼ばれます。前者は、海王星のすぐ外側から始まるカイパーベルトに由来し、冥王星のような小さな「準惑星」や、科学者たちが徐々に発見しつつある数千もの未確認天体が存在します。そして、宇宙のさらに遠くにはオールトの雲があり、オランダの天文学者ヤン・オールトにちなんで名付けられ、長周期彗星の発生源となっています。
オールトの雲は太陽系の最果て、太陽の重力が最も弱い場所にあります。そのため、わずかな一押しさえあれば、何かが彗星としてオールトの雲から飛び出すことができます。オールトの雲には数兆もの天体が存在する可能性があり、その中には準惑星と見なせるほど大きなものや、地球上で大量絶滅を引き起こすような大彗星の類も含まれているかもしれません。しかし、人類がこの遠い領域を探査し続けているため、正確な詳細はほとんど分かっていません。
壊滅的な隕石は頻繁に地球に衝突しないが、最近のものはその破壊力を明らかにした
このように、隕石が地球上の生命の発展に果たした役割は、大部分が推測に基づいています。しかし、隕石が地球に衝突する破壊力については、はるかによく理解されています。その完璧な例として、1908年にロシアのツングースカで起きた一つの出来事を見るだけで十分です。当時、直径50メートルの隕石がロシア上空の大気圏で爆発し、10～15メガトンの爆弾に相当するエネルギーを放出しました。
参考までに、これは広島に投下された原子爆弾の1000倍の強さです。爆発音は遠くフランスまで聞こえ、発生した衝撃波はリヒタースケールで約5.0を記録しました。それは地球を3周し、火災を引き起こし、大気中のオゾンの約半分を枯渇させ、2000平方キロメートルの森林を破壊しました。しかも、この隕石は地面にさえ衝突しなかったことを忘れないでください！このように、隕石は明らかに手強い力であり、科学者たちは破壊の可能性があるものを求めて空を注意深く監視しています。
実際、長年にわたって地球近傍天体（NEO）や地球近傍小惑星（NEA）のカタログが作成されてきました。記録が残されて以来、何千ものそのような天体が観測されており、幸いなことに、現在のところ脅威となるものはありません。例えば、地球に衝突する可能性のある唯一のNEOは、地球に接近する確率が0.3%であり、しかも2880年になってからのことです。しかし、状況は変化するものであり、これらの天体は太陽の周りを公転しているため、別の惑星の引力によって軌道が変わる可能性があります。そのため、米国主導の小惑星衝突および偏向評価ミッションや小惑星リダイレクトミッションのようなプロジェクトがあり、隕石の速度を増減させることで地球を安全に回避させ、壊滅的な衝突を避ける方法を考案しようと懸命に取り組んでいます。
恐竜絶滅を引き起こした隕石衝突は、5回の大量絶滅のうちの1つだった
地球の歴史には、生命に重大な影響を与えた転換期となる5回の大量絶滅がありました。最初の2回の絶滅は、約4億4千万年前のオルドビス紀とシルル紀の境界、および3億8千万年前のデボン紀末の境を画するものでした。そして、2億5千万年前に、3回目で最も破壊的な出来事が発生しました。それはペルム紀-三畳紀の絶滅として知られ、地球上の種の90パーセントを一掃し、ほとんどの昆虫を含みました。
その後、2億年前の三畳紀末には、地球上の種の75パーセントが絶滅しました。そして最後に、恐竜を絶滅させた白亜紀-古第三紀（K-Pg）イベントが起こりました。これは約6600万年前に発生し、再び恐竜や植物、海洋生物を含む地球上の種の75パーセントを絶滅させました。しかし、このイベントは、露出した岩層を調べることで、時間軸上のK-Pg境界がどこにあるかを確認し、隕石衝突の証拠を見つけることができるという点で独特です。隕石が地球に衝突すると、ダイヤモンドや衝撃石英などの特徴的な痕跡が残ります。衝撃石英は、核爆弾の爆発か隕石の衝突という2つの状況下でのみ鉱物に生じる変形です。このように、K-Pg境界は、恐竜が隕石によって絶滅したことの証拠を科学者たちに与えています。
しかし、そこには地球上では極めて稀な鉱物であるイリジウムも含まれています。これが重要な理由は次の通りです。1970年代に、地質学者ウォルター・アルバレスは、K-Pgサンプルのイリジウムレベルが通常の90倍であることを発見しました。したがって、彼は隕石が地球に衝突し、約50万トンのイリジウムをもたらしたに違いないと確信しました。この情報をもとに、彼はその隕石が直径10～15キロメートルもの巨大なものであったと予測することができたのです！ですから、地球上の大量絶滅についてはまだ不明な点が多いものの、一つだけ明らかなことがあります。K-Pg絶滅は隕石によって引き起こされたのであり、しかも巨大な隕石だったのです。
古代の隕石が甚大な被害をもたらしたにもかかわらず、地球への衝突の証拠を見つけるのは容易ではない
想像に難くないと思いますが、直径10～15キロメートルの隕石が地球に衝突したら、深刻な被害をもたらすでしょう。6600万年前に地球に衝突した天体が、少なくとも秒速20キロメートルの速度で移動していたと仮定すると、そのエネルギーはTNT火薬換算で100兆トンに相当し、それは広島原爆の10億倍以上の爆発力です。そのような出来事は、壊滅的な風、津波、高潮、そして世界中で感じられるほどの強力な地震を引き起こすでしょう。しかし、それはまた、何兆トンもの物質が大気中に放出される結果ももたらします。
そしてそれは、衝突によって生じた熱が地球内に閉じ込められ、地表が灼熱化する結果を招くでしょう。まさにそのような一連の出来事の証拠がK-Pg層には見られます。大量の木炭の煤は、衝突の後に地球上の有機物の50パーセント以上が焼却されたことを示唆しています。しかし、空気と水はまた、亜酸化窒素と硫黄によって汚染され、何年にもわたって続く酸性雨を生み出したでしょう。では、恐竜が絶滅したときにこれらすべてが起こったのなら、衝突の物理的な痕跡が今でも残っているはずですよね？
実は、これほど大きな隕石によるクレーターのほとんどは、実際にはK-Pg衝突をはるかに遡る前期または後期重爆撃期のものです。これほど長い期間が経つと、浸食などの自然作用によって衝突クレーターの大部分は覆い隠されてしまうでしょう。また、もし隕石が海に落ちたなら、正確な衝突地点を見つける可能性はほとんどありません。しかし、ウォルター・アルバレスらによってK-Pg層から明らかにされた証拠は、その隕石が大陸棚に衝突したことを示唆しており、そしてこれから見るように、それはすぐに科学者たちを衝突クレーターの位置へと導いたのです。
いくつかの非常に具体的な手がかりがK-Pgクレーターの発見につながった
K-Pg隕石がどこに落下したのかを解明するには、かなりの調査が必要でした。しかし、特に役立った手がかりが一つありました。隕石の予測サイズからすると、それが引き起こしたクレーターは直径約200キロメートルであるはずでした。この知識と、2つの主要な手がかりが、科学者たちを衝突クレーターへと導きました。まず、メキシコの石油会社ペメックスに勤務する地質学者たちが、メキシコ湾のユカタン半島沖で奇妙な磁気異常を発見しました。
1970年代に磁気調査が行われ、その異常は直径約180キロメートルの円形領域によって引き起こされていることが示されました。1981年、アメリカ人コンサルタントのグレン・ペンフィールドは地質学者アントニオ・カマルゴとともに、ロサンゼルスで開かれた地球物理学の学会でこの件に関する調査結果を発表しました。しかし、彼らの証拠は衝突クレーターの存在を示していましたが、誰もそれを6600万年前のK-Pg隕石と結びつけませんでした。その後1990年、アラン・ヒルデブランド率いるアリゾナ大学の大学院生チームが、ハイチで衝撃石英とイリジウムに富んだK-Pg層を調査し、衝突クレーターが1000キロメートル以内にあると断定しました。この時点で、すべての情報が出揃い、あとは組み合わせるだけとなり、アリゾナ大学チームはヒューストン・クロニクル紙の記者カルロス・バイヤーズも出席した科学会議でその調査結果を発表しました。バイヤーズはペンフィールドの発見を覚えており、それをヒルデブランドに指摘しました。ヒルデブランドはチームとともに、石油会社がクレーターから掘削したコアサンプルを調査しました。
そしてどうなったと思いますか？彼らは探していたものを見つけました。衝撃石英と、6600万年前に遡るイリジウムの層です。1991年、その全成果が学術誌Geologyに掲載され、クレーターはチクシュルーブ・プエルト（クレーターからほど近い小さな漁港）にちなんでチクシュルーブと名付けられました。
彗星による大量絶滅には周期性がある可能性を示す証拠がある
チクシュルーブ・クレーターは大発見でしたが、決して科学者たちが地球上で発見した唯一のクレーターではありません。実際、科学者たちは地球の衝突クレーターに関するあらゆるデータを収集しており、その結果は彗星衝突に何らかの周期性がある可能性を示唆しています。例えば、化石記録の研究は、3000万年から3500万年ごとに規則的な絶滅が起こっていることを指摘しています。1977年、プリンストン大学の地質学者マイケル・アーサーとアルフレッド・フィッシャーは、化石記録が地球上の生命が3200万年ごとに栄枯盛衰していることを示していると仮説を立てました。
その後1984年、シカゴ大学で絶滅の記録を研究していた研究者たちは、そのような情報は2700万年から3500万年ごとの絶滅を示していると述べました。そして最も最近では、カンザス大学とスミソニアン協会の共同研究により、絶滅は2700万年ごとに、プラスマイナス300万年という規則的な周期で起きていることが明らかになりました。衝突クレーターのデータを収集して年代を特定し、周期性を探っている科学者からも、非常によく似たデータが出てきています。カリフォルニア大学バークレー校で行われた1984年の研究では、11のクレーターを調査し、3100万年の周期性を仮説として提唱しました。
同じ年、ニューヨーク大学が41のクレーターを調査した研究を発表し、3100万年の周期性を示しました。そして2004年、京都大学は4億年前まで遡る91のクレーターを調べ、3750万年の周期性を示唆しました。このように、これらの衝突の周期性はもっともらしく思われますが、研究ではまた、より大きな衝突はオールトの雲から来た、より高速で移動する長周期彗星によって引き起こされたことも示唆されています。
天の川銀河の潮汐力と太陽系の軌道路が、彗星がオールトの雲から来る理由の説明を提供する
では、なぜこうした破滅的な可能性を秘めた彗星はオールトの雲を離れるのでしょうか？その最も有力な説明の一つは、私たちの太陽系が銀河内をどのように移動しているかに関係しています。太陽系が天の川銀河の中心を2億4000万年かけて公転する過程で、天の川銀河の重力によって引き起こされる銀河潮汐と呼ばれるものを経験することがあります。月が地球の海に干満を引き起こすのと同じように、天の川銀河の重力が私たちの太陽系に影響を与えるのです。
この銀河潮汐は、通常は球形をしている太陽系の最外縁部、すなわちオールトの雲を引き伸ばすことがあります。この伸長の潜在的な結果として、天体がより内側に押し込まれ、太陽の重力の影響を受けやすくなり、何らかの力が加わって飛び出す準備が整う可能性があります。しかし、銀河潮汐だけでは、約3200万年ごとにオールトの雲から周期的に彗星が出現する理由を説明できません。彗星がオールトの雲を離れるもう一つの要因としては、太陽系の軌道路が考えられます。重要なのは、私たちの太陽系が天の川銀河を公転する際に、銀河面に対して上下に移動しているということです。これらの動きは振動として知られ、太陽は通常、天の川銀河を一周する間に3～4回の振動を行います。
太陽系はちょうど約3200万年ごとに銀河面の中心を通過し、著者は、私たちの太陽系が銀河面の真ん中で密度の変化に遭遇するのではないかと示唆しています。しかし、それが起こるためには、何らかの物質が重力に影響を与える必要があります。それが何だかわかりますか？
ダークマターが3200万年ごとに地球に衝突する巨大隕石の原因かどうかは、時間が経てばわかるだろう
さて、おそらくダークマターがどのように彗星の地球衝突に関係しているのか疑問に思っていることでしょう。そして、その事実がまもなく結びつきます。著者が示唆するように、銀河潮汐に加えて、ダークマターが巨大隕石の地球衝突を説明するのかもしれません。実際、ダークマターには複数の種類が存在する可能性があります。結局のところ、クォークやニュートリノのように、既知の他の粒子にも多くの種類があるのですから、ダークマターにも複数の形態があるとしても不合理ではないでしょう。
そのような種類の一つとして、自己相互作用ダークマター、つまり自分自身に引き付けられ、そのために高密度に凝集するダークマターが考えられます。では、なぜこれが重要なのでしょうか？もしこのように自己相互作用するタイプのダークマターが存在するならば、一部の銀河で、中心に近いほど濃度が高くなるという不規則な密度分布が起きている理由を説明できるかもしれません。これはまさに天の川銀河にも当てはまる可能性があります。自己相互作用ダークマターは、銀河面の中心内でより小さな円盤を形成し、それによって高密度の領域を作り出しているのかもしれません。太陽系が銀河を公転する間、振動するにつれて、約3200万年ごとにこのダークマター円盤を通過しなければならなくなるのです。
そうなると、太陽系はその高密度の領域に突入し、銀河潮汐によって準備状態にあった彗星をオールトの雲から飛び出させ、地球へと向かわせるのに必要な一押しを与えることになります。しかし、これが真実かどうかを言うのは難しく、時間が経てばわかるでしょう。実際、科学者たちは間もなく、著者のアイデアを検証または反証できるはずです。2018年に、銀河の精密な測定を行うGAIA衛星からのデータが戻ってきます。その結果によって、銀河面の中心に高密度の領域があり、それが恒星の速度を変化させているかどうかが示されるでしょう。ダークマターは私たちの周りの至る所に存在しているのです。
最終的なまとめ
私たちはそれを見ることも感じることもできませんが、極めて重要な存在です。実際、それは宇宙そのものを形成する上で中心的な役割を果たしてきました。そして、それが私たちの知る生命に不可欠な構成要素を含んだ隕石を地球に送り込んだ原因である可能性も大いにあります。
