水が金属に変わる！？天王星と海王星の謎に迫る

水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。

私たちが暮らす太陽系で確認されている、太陽の周りを回る８つの「惑星」です。
（９番目の惑星として親しまれてきた冥王星は、２００６年に「惑星」の定義を見直された際に、「惑星」から外れました）

このうち、最も外側にある天王星と海王星は、アメリカの探査機「ボイジャー２号」しか、たどり着いたことがなく、多くの解明されていない謎があります。

その１つが、２つの惑星に磁場があることです。

星に磁場があるというのは、星が磁石のような特徴を持っているということを意味します。

たとえば、地球には、磁場があり、磁石のような性質を持っています。

地球上で方位磁石を使うと、Ｎ極が北を向き、Ｓ極が南を向きますよね。磁石のＮ極とＳ極はお互いに引き寄せ合うので、ややこしいですが、地球を大きな磁石に見立てれば、地球の北極が磁石のＳ極にあたり、南極がＮ極にあたります。

天王星と海王星も磁石のようになっていることが分かっていました。

しかし、このことが、長年、研究者を悩ます大きな謎でした。

なぜ、不思議なのかというと、天王星と海王星は「氷惑星」と呼ばれることもある、ほとんどが水や氷でできている惑星だからです。

磁石には、地球のように、鉱石がとてつもない圧力を受けることでできる「永久磁石」と、電気が流れることで作り出される「電磁石」の２種類があります。

天王星と海王星に鉱石はないので、永久磁石はできません。

では電磁石でしょうか？

ところが、水は電気を通しにくい性質があります。確かに、水に電気コードがつかっていると感電の危険がありますが、水は銅や鉄などと比べるとはるかに電気を通しにくく、電磁石にはなりません。

それなのに、なぜ磁場が発生しているのか・・・？

この謎に挑んだのが、大阪大学大学院工学研究科の尾崎典雅准教授や、岡山大学惑星科学研究所の奥地拓生准教授らの研究グループです。

実験には、大阪大学にある世界有数の大規模なレーザー施設を使いました。

１２本のレーザービームを１か所に集めて対象物に当てることで、大きな圧力をかけることができます。

研究グループがまず用意したのは、天王星や海王星と同じ成分の液体です。

天王星と海王星がどのような成分でできているのかは、これまでの研究から明らかになっています。私たちが飲むこともできる通常の水に炭素を混ぜた液体が、２つの惑星を作っています。

この液体を、レーザー研究所の実験装置に取り付け、２つの惑星の深さ５０００キロほどと同じおよそ３００万気圧の圧力をかけて、２つの惑星で何が起きているのか探りました。

その結果、液体が高い圧力で圧縮されることで、液体の原子どうしが近づき、さらに、原子の周りを飛び交う電子も近づくことで、電子が動けるようになり、電気が流れる状態になった様子を観測することができました。

本来なら電気を通しにくいはずの水が、電気を通す金属のような状態に変化したのです。

この状態を再現できたのは、１０億分の１秒という極めて短い時間でしたが、研究グループは、この様子を撮影することに成功しました。

この結果から、研究グループは、２つの惑星では、内部の液体が高い圧力の影響で、電気を通すようになり、電磁石のような形で磁場を発生させていると分析しています。

今後は、２つの惑星の磁場について、さらに詳しい解析が進むのではないかと期待されています。

今回の研究成果は、宇宙の謎を１つ解明するだけでなく、惑星の地下、奥深い場所でどのような反応が起きているのか分析することで、地球に存在しない物質や素材を作る研究や、新たな物質を合成したり、新たな化学反応を起こしたりする研究に役立つと期待されています。

研究に携わった尾崎准教授は、元々、宇宙の研究を行っていたわけではなく、レーザーを作ったり、計測機器を作ったりする研究を専門に取り組んできました。

今回の実験で使用したレーザーも、もともとは次世代エネルギー開発の研究のために整備されました。しかし、最近になって分野を超えた研究にも有効活用できることが分かってきて、宇宙プラズマ科学、地球惑星科学、物質材料科学など、さまざまな分野に活用の場が広がっています。

尾崎准教授も、「私たちの太陽系と地球、私たちを取り囲む物質や生命はどこから来たのかという問いに少しでも近づきたい」と考えて、レーザーに関する研究を、地球惑星科学と物質材料科学に結びつけたということです。

※掲載された論文はこちらから（※NHKサイトを離れます）
https://www.nature.com/articles/s41598-019-46561-6