星雲にしかなかった分子、土星の衛星タイタンで発見

【2020年11月4日 NASA】

土星の衛星タイタンは、窒素を主体に少量のメタンを含む濃密な大気に包まれている。これらの分子が太陽光で分解されることで様々な有機物が生成されており、以前から注目を集めてきた。これまでにタイタンで見つかった物質は多岐にわたるが、今回新たに検出された分子は変わり種だ。

その分子は炭素と水素で構成される「シクロプロペニリデン（C₃H₂）」。アルマ望遠鏡でタイタンを観測したNASAゴダード宇宙飛行センターのConor Nixonさんたちは、この分子が見つかったことについて驚きを隠さない。C₃H₂はすぐに他の分子と反応してしまうため、これまでは非常に希薄で極低温の星間空間でしか見つかっていなかった。それに比べれば、地球よりも気圧が高いタイタンの大気は、化学反応の巣窟のようなものだ。

（左）C₃H₂が検出されている、おうし座分子雲。（右）タイタンの画像上にベンゼンとC₃H₂の分子構造を示したイメージ画像（提供：Conor Nixon/NASA's Goddard Space Flight Center）

Nixonさんたちが少量のC₃H₂を検出できたのは、気圧が比較的低いタイタンの上層大気を調べていたからではないかとみられている。ただし、C₃H₂がタイタン以外の天体の大気で見つかっていない理由は不明だ。「タイタンは太陽系の中でも唯一無二の存在です。新しい分子の宝庫であることがはっきりしました」（Nixonさん）。

アルマ望遠鏡が本当にC₃H₂の信号をとらえていたのかを確認するため、NixonさんはNASAの土星探査機「カッシーニ」の観測データを分析した過去の論文を調べた。カッシーニは2004年から2017年にかけてタイタンへの接近飛行を127回も実施しており、同探査機に搭載されていた質量分析計はタイタン周辺を漂う様々な分子の徴候をとらえている。検出された分子の正体については不明なものも多いが、Nixonさんはその中にC₃H₂が荷電してできたC₃H₃⁺が存在することを突き止めた。

タイタンはいくつかの点で、既知の天体の中で最も地球に似ているものといえる。厚い大気に加え、空には雲が浮かんで雨が降り、湖や川も見られ、地下には海まで存在する。大気上層で生成された有機物が地上や地下の海にまで運ばれているとしたら、生命の誕生につながっている可能性もある。

タイタンの表面。タイタン表面への下降に成功したヨーロッパ宇宙機関の小型探査機「ホイヘンス」が取得した反射スペクトルのデータから実際の色調を再現したもの（提供：NASA/JPL/ESA/University of Arizona）

シクロ（Cyclo）プロペニリデンという名前が物語るとおり、C₃H₂は3つの炭素原子が閉じた環を作っている「環式化合物」だ。C₃H₂自体は現在知られている生物反応には関与しないが、環式化合物は生命の遺伝情報を運ぶDNAや、同じく生体内で重要な役割を担うRNAの鎖を構成する重要な物質である。タイタンでC₃H₂以外に見つかった環式化合物はベンゼン（C₆H₆）しかない。炭素6個からなるベンゼンは、惑星や衛星の大気中で見つけることのできる最小の環状有機化合物だと信じられていたが、C₃H₂にその座を奪われることになった。

「C₃H₂は実に奇妙な小さい分子で、高校の化学の授業や大学の講義にはまず登場しません。地球にいる私たちが遭遇することもまずないでしょう。ですが、このような小さなかけらの一つ一つが、タイタンで起こっている森羅万象のパズルを組み立てるのに役立つのです」（NASAジェット推進研究所 Michael Malaskaさん）。