月はなぜこんなに長く鳴り続けるのか

地震波が月を横切るとき、信号は波が通り過ぎたところで終わらない。そのあとに振動の長い尾、つまりコーダが続き、月ではそれが最長で数時間も続くことがある。同程度のマグニチュードの地震のあとと比べて、およそ10倍の長さだ。地震学者にとって、この「鳴り」は厄介者だ。月の内部を明らかにしてくれるはずの深い層からのかすかなエコーを、かき消してしまうからである。

これまでの通常の説明は、連続してはいるが非常に不均一な地殻のなかでの強い散乱だった。そこでは波が場所ごとに速くなったり遅くなったりする。しかし、この考えに基づくシミュレーションは、非現実的なほど強いコントラストを与えても、アポロの地震計の記録と一致したことがなかった。

決して癒えない割れ目

中国科学院と中国地質大学のLei Zhang、Jinhai Zhangらは、別の道をとった。月の地殻は割れ目だらけだ。数十億年にわたる衝突、冷えていく月の収縮、潮汐、火山活動が、どれも地殻を割ってきた。地球では、流体がこうした割れ目を少しずつ癒やしていく。月には水がないので、割れ目は開いたまま、岩のなかの空っぽのすき間として残る。

空っぽの割れ目は、地震波にとって壁だ。何も通り抜けられない。波は全反射される。割れ目が1つなら、波面の一部が跳ね返り、残りは乱されずに進む。割れ目がたくさんあると、波面は砕かれて閉じ込められ、割れ目から割れ目へと跳ね返りながら、そのエネルギーはゆっくりと漏れ出していく。著者らによれば、こうした割れ目が月の地震波に与える影響は、これまで考慮されたことがなかった。

アポロの衝突を再現する

この考えを検証するため、チームは月の地殻の2次元の断面をつくった。長さ1,000キロメートル、深さ80キロメートルで、それ以外は一様な岩のなかに空っぽの割れ目を散りばめたものだ。その予測を、人工衝突のアポロの記録13件と比べた。使い終わったロケットの段や月着陸船の上昇段を意図的に月に衝突させたもので、衝突の時刻と場所が正確にわかっている。観測点は、弧にして2.2度から28度離れていた。

比べたのは1つひとつの揺れではなく、各記録の全体的な包絡線だ。ゆっくりと立ち上がり、幅の広いピークを迎え、ゆっくりと減衰していく形で、紡錘のように見える。

最初の1キロメートルが決め手

割れ目を最上部の1キロメートルに集中させると、シミュレーションした包絡線は代表的な2つの記録と、相関0.90と0.92で一致する。割れ目のない地殻では、0.56と0.47にとどまる。
12通りの変形モデルで、割れ目がどこで効くのかを突き止めた。深さ12キロメートルまで達する割れ目は、最上部の1キロメートルに限った割れ目と同じくらいよく合う。しかしその最上部の1キロメートルから割れ目を取り除くと、相関は0.4–0.5に落ちる。
割れ目の長さも重要だ。0.5から2キロメートルなら相関は0.85前後だが、4キロメートルでは約0.64にとどまる。割れ目の長さはおそらく2キロメートル以下だ。
コーダの形とその減衰の速さの両方を再現できるのは、かなり高い密度の割れ目だけだ。最上部の1キロメートルは激しく割れている。

基準モデルでは、それぞれ長さ1キロメートル、幅250メートルの割れ目85本が、断面の最上部1キロメートルに散らばっている。

次の探査のための道具

月面探査車に積まれたレーダーは、数百メートル、たいていは500メートル未満までの層を探ってきた。地震学の結果はそれより深く、約1キロメートルまで届き、レーダー、重力マップ、持ち帰られた試料の測定を結びつける。

このモデルは逆向きに使うこともできる。割れ目がわかれば、その「鳴り」を計算して記録から差し引き、月の深い内部からのかすかな反射を浮かび上がらせることができるだろう。将来の地震計、つまり嫦娥7号に載るもの、アルテミス計画で南極付近に置かれるもの、そして裏側に置かれるものが、これを検証できるかもしれない。さらに、月の振動に耳を澄ませて重力波を検出しようとする計画も、同じ割れ目を考慮しなければならないかもしれない。

このモデルはまだ単純化されたものだ。2次元の断面であり、割れ目のまわりの岩は一様である。実際の割れ目は3次元で、互いに交わり、それ自体も不均一な地殻のなかにある。それでも、この素朴な版でさえ、月のように鳴り響く。