1970年4月、月に向かうアポロ13号で爆発事故が発生し、搭乗していた宇宙飛行士は命の危険にさらされました。彼らは月に着陸しないまま帰還し、月面上のすべての科学研究がキャンセルとなりました。
しかし、アポロ13号がたったひとつやり遂げた科学実験があります。それはブースター（サターンV型ロケットの3段目）を月に衝突させ、人工的な地震（月震）を引き起こすことでした。
月震実験は、13号だけでなく11号以降すべてのアポロ計画で実施されました。こうして集積された月震の観測データは、半世紀以上が経過したいまも月に関するさまざまな知見をわれわれにもたらしています。
危機のただ中のアポロ13号
「いま12（アポロ12号）の地震計のデータを受信した。君たちのブースターが月にぶつかり、月を少しばかり揺らしたらしいぞ」
「よし、少なくともこのフライトでも何かしらうまくいったことがあるわけだ」
地上管制室からの連絡に、アポロ13号の船長ジェームズ・ラヴェルはこうつぶやきました。
このときアポロ13号を月軌道に乗せるためのブースター（※1）が月面に激突し、月に地震が発生したのです。ブースターを月面に衝突させたのは、アポロ計画でも初のことでした。
アメリカの月有人探査船アポロ13号がトラブルに見舞われたのは打ち上げ2日後、1970年4月13日でした。地球から32万km、月まで6万kmの地点で、燃料電池などを搭載し、ロケットエンジンを備えた支援船の酸素タンクが爆発したのです（アポロは司令船、支援船、着陸船から構成※2）。2つの酸素タンクのうち1つは完全に空になり、もう1つのタンクからも酸素が大量にもれ出しました。
当時、宇宙飛行士たちは司令船に搭乗していましたが、爆発の影響で支援船からの電力の供給が断たれたため、本来は月面探査時のみに使用する狭く小さな着陸船にやむなく乗り移りました。そこには少なくとも当座の酸素や水が用意されていました。
その間、地球上のチームは慌ただしくアポロ13号の帰還方法を検討し、最終的に月を周回して地球に航行するルートを選択しました。この計画に沿ってアポロ13号は着陸船のエンジンを使って進路を慎重に修正することになりました。
アポロ13号のブースター衝突
地球と交信しながら、アポロ13号は船内の二酸化炭素濃度を低下させる措置、地球大気圏突入時の準備などを次々にこなしていきました。そして、軌道修正のためのロケット噴射について綿密な打ち合わせをするなか、ブースターが月面に衝突したという冒頭の一報がアポロ13号に入りました。
ブースターは打ち上げ当日、アポロ宇宙船を月へ向かう軌道（※3）に乗せた後に切り離され、月面に衝突する軌道に進路をとっていたのです。
14トンのブースターは時速約9300km＝秒速約2.6kmものスピードで月面に激突し、月の地震、すなわち月震（ムーンクエイク：moonquake※4）を引き起こしました。
その地震波は少しずつ方向を変え、一部は表面近くを通過し、またときには大きく曲がりながら月の内部を高速で駆け抜け、月の表面で反射してふたたび内部に戻り、いくどもその表面で跳ね返されてさまざまに反響し、衝突地点から135km離れた地震計を振動させつづけました。アポロ12号が前年に月面に設置した地震計です。
ブースターが月面に衝突してから3日後（事故の4日後）、アポロ13号の飛行士たちはふたたび地球上に降り立ちました。狭い着陸船に長時間押し込められ、餓えと脱水、さらには電力喪失による寒さに苦しみつつの生還でした。
アポロ計画と月震観測
「1960年代に人間を月に着陸させる」
アポロ計画は1961年、当時の大統領ジョン・F・ケネディのこのかけ声のもと始動しました。
もちろん人間が月に立ってそれで終わりではありません。月に到達したアポロ宇宙飛行士たちは、月面を飛び跳ね、月面車（ローバー）を乗り回し、月の多様な石を採取し、太陽風のエネルギー、荷電粒子の量、磁場などを測定し、反射板を設置し、他方で自身の体をモニタリングされました。
こうした月研究のひとつが月震観測でした。宇宙飛行士たちは地震計を月面に設置し、着陸船やブースターを衝突させる、爆薬を爆発させるなどして人工的に月震を引き起こしました。これらの人工月震はときには3時間以上も継続しました。
震動が容易に減衰しないのは、月に大気が存在せず、また地殻も乾燥しているためと考えられています。地殻自体が反響板のように月震を響かせるのです。研究者は、これを「月が鐘のように鳴る」と表現します。
人工月震の目的は月の内部の状態を知ることです。トンネルや橋などの点検でコンクリートや鉄を叩く様子を見たことがあるかもしれません。一般に、澄んだ音が響けば材質は劣化がなく良好で、鈍い音がすれば内部にひびや穴があることを意味します。月でも同じように、強い衝撃で生ずる地震波は、月の内部についてさまざまな情報を教えてくれます。これは波がどこを通過するかにより、速度や強度を変化させるためです。
たとえば月や地球では、天体の内部が低温であるほど地震波は速く進みます。また、天体内部の温度が少しずつ変化するような場所では、波はしだいに曲がっていきます。他方、天体内の状態がいっきに変わる場合、たとえば地球や月でいえば地殻とマントルの境界では、波は大きく進行方向を変えます（屈折）。波の一種である光が水面で屈折するのと同じ原理です。
このように月震のデータには、天体内の温度や全体の構造、物質の分布などの情報がさまざまに折り重なって詰め込まれています。月を掘って奥深くまで調べることはできませんが、月震を利用すれば、ちょうど人間の体をX線CTやMRIを使って検査するように、月を透視して診断できるのです。
では、月震は月の内部について何を語ったのでしょうか？
月を透視する
アポロ計画最後の宇宙飛行士が月を立ち去ってからも数年間、彼らの設置した地震計は稼働しつづけました（※5）。1977年にすべての地震計が稼働停止するまで（あるいは通信機能を停止するまで）、地球には月震のデータが継続的に送られてきました。
これらの地震計は、月の表側だけではあるものの、数カ所に設置されていました。そのため、各所のデータを比較しながら分析することができました。
その結果、月の構造について数多くの情報が得られました。たとえば月の基本構造は、地球によく似ていました。つまり、月は地殻に覆われ、その下はマントルの層、そして中心部には密度の高い核があるのです。
月で最も特徴的なのは地殻です。厚さは推定で地球側は40km、裏側ははるかに厚く60kmあります（※6）。月の直径の4倍ほどもある地球でも、大陸地殻が平均30～40km、海洋地殻は平均して7kmにすぎないことを考えれば、月の地殻が相対的にきわめて厚いことがわかるでしょう。
他方、アポロの地震計のもうひとつの成果は、月震が人工物や隕石の衝突によってのみ起こるのではないと示したことです。そこには月の地殻活動の証拠が現れていました。
月はいまだ活動中？
月は“死んでいる”――これはかつての大方の見方でした。月は地球よりはるかに小さいことから、過去に地殻活動が活発だったとしても、現在では冷え固まっていると考えられていたのです。月が仮説どおり地球誕生とほぼ同時期の約45億年前に生まれたなら、すでに地殻活動を起こす熱源が残されていなくてもおかしくありません。
ところが、アポロの地震計の8年間におよぶデータには、実に約1万3000回（後述するように実際にはそれ以上）もの月震データが残っていました。
もっとも、記録された月震の大半は、前述したような人工物や隕石などの衝突、それに熱による微弱な震動でした。熱震動とは、約2週間ずつの昼夜の300度もの気温差（日中130℃、夜間-170℃前後）によって、地殻や物体（※7）が膨張と収縮をくり返すために発生する震動です。
しかし、それ以外にも地下200km近辺で発生することの多い「浅発地震」と、震源が地下800～1200kmと非常に深い「深発地震」が見つかりました（月の半径は約1740km）。
深発地震はマグニチュード2程度ですが、周期的で約27日ごとの発生が観測されています。その周期が月の自転・公転と同期していることから、潮汐力と関連していると推測されました。太陽と地球という2つの天体の重力によって天体自体が変形し、それによって月震が発生するとみられているのです。
他方、浅発月震は8年間のデータ中28回しか見つかっていませんでした（2010年頃までの研究）が、ときにはマグニチュード5～6の強い月震として観測されています。
研究者たちは、この浅発月震は月が死んでいるという従来の見方に反し、地殻活動が続いている証拠だと考えました。しかし、具体的なメカニズムは不明でした。それを明らかにしたのは、21世紀に飛び立った月探査機による観測です。
月が縮んでいる？
「月はいまわずかずつ収縮し、それが強い月震を引き起こしている」
スミソニアン研究所のトーマス・ウォッターズ（Thomas Watters）らは2019年、この驚くべき発表をしました。
発表の基礎になったのは、アポロ地震計による月震観測、それに2009年に月に向かったNASAの月探査衛星「ルナー・リコネサンス・オービター」の観測結果です。ウォッターズらは探査衛星の地表観測データと浅発月震の震源の位置を慎重につき合わせた結果、震源が月の北半球のタウルス-リットロー渓谷床を横切る断層崖（リー･リンカーン崖）と一致していることを確認しました。
タウルス-リットロー渓谷床はかつてアポロ17号が着陸した場所です。当時、宇宙飛行士たちは月の石の採集や地形調査などのため、問題の崖（高さ80m）の起伏に富む斜面をローバーで登り降りしました。
地質学者でもある宇宙飛行士ハリソン・シュミットはこのとき、南北に走るリー･リンカーン崖は地殻活動による断層崖ではないかと指摘しました。さらに崖の南方向には岩塊が重なり合っているのに対して北方向は単純に見えることから、北がより若い地形だと推測しました。半世紀後、この崖がウォッターズらによって思いがけず注目された形です。
「私たちの解析は、月がしだいに冷えて縮む過程にともない、これらの断層がいまだ活動しておそらくは月震を引き起こしている証拠をはじめて示したものです」とウォッターズは述べています。
これは月内部に非常に高温のマントルや核が残っていることを意味します。研究者たちの見積もりによれば、いまも続く冷却によって月の直径は過去数億年に約50mも小さくなったといいます。
1億年前、月の火山は噴火していた？
月が収縮している証拠はこれだけではありません。2024年、東京大学の小野寺圭祐（現・岡山大学）らの研究もこの見方を支持しました。彼らは、ノイズが多く解析が十分でなかった一部のアポロ地震計のデータをコンピューターで処理し、新たに2万2000もの月震を見いだしました。そのうち46回が浅発地震でしたが、その大半は月の北半球、アポロ15号の着陸地点周辺で発生していました。
その付近ではかつてマグマが噴出して地殻に亀裂が生じたとみられ、小野寺は月が収縮するにつれ、この亀裂が閉じるように動いていると指摘しています。
月の地殻活動としては、地震だけなく火山噴火も長く続いたようです。かつては火山活動は30億年前に終わったとみられていましたが、最近になって約10億年前、もしかすると1億年ほど前まで火山活動が続いた証拠がいくつか見つかっています（※8）。
小さな月で、なぜこれほど長期間にわたって地殻活動が続いたのでしょうか？ ひとつには月表面にも残るクレーターからわかるように、頻繁な隕石衝突によって熱エネルギーが解放されたこと、そしてそれらの隕石やマグマを由来とする放射性物質が大量の熱を放ったことが原因とみられています。また、月をひずませるほど大きい地球の重力（潮汐力）も関係するとみる研究者もいます。
次世代の月震観測に向けて
見えないものを“見る”、それが月震観測です。前述したように、月震は月の内部構造や、地殻内の水や鉱物の資源分布などの情報を内包しています。月震を詳細に解析すれば、月の起源やその進化史に関する研究の貴重な手がかりを得ることもできます。
他方で、月に眠る豊富な資源、火星探査など宇宙への足がかりとしての月基地への注目が世界的に高まるにつれ、月開発の視点からも月震研究の重要性が増しています。というのも、前出のウォッターズらの研究によれば、月の地表には数千もの断層があり、それらはいまも活動している可能性があるためです。
前述したように、月震は数時間も継続することがあります。ウォッターズらは巨大地震ではなくとも、浅発月震にみられるマグニチュード5以上の強い揺れが長時間続けば、建造物に深刻な被害が生じ得ると指摘しています。震動によって損傷・倒壊するだけでなく、大規模な地滑りなどで破壊される恐れもあります。周囲に助力を求められない孤立した月面基地では、このような月震は壊滅的状況を招くリスクとなり得るのです。
そのため、月震観測をふたたび実施する重要性が改めて認識されています。2023年8月にはインドのチャンドラヤーン3号が南極付近に着陸し、アポロ以降はじめて12日にわたって月震を観測しました。
また、2027年打ち上げ予定のアルテミス3ミッションは、半世紀ぶりに宇宙飛行士が着陸船に搭乗し、月の南極に地震計を設置することになっています。中国やヨーロッパ、日本の宇宙機関も地震計設置を予定しています。とりわけ日本のJAXA（宇宙航空開発研究機構）は意欲的で、最低4つの月震計を月の表側だけでなく、これまで観測されていなかった裏側にも設置し、月震観測をネットワーク化する計画を発表しています。
＊＊＊
1969年、月面にはじめて設置されたアポロ11号の地震計は、観測を開始してすぐに小さな震動をとらえました。それは月のクレーターに向かう宇宙飛行士ニール・アームストロングの足音でした。
ここから始まったアポロ計画の月震観測によって集積されたデータは、半世紀にわたって研究者を通じて月に関する多種多様な情報をわれわれに与えてくれました。そのバトンはいま21世紀の宇宙科学研究の手に渡り、新たな月震観測の時代が始まろうとしています。（了）
脚注
※1：アポロ計画で宇宙船を打ち上げたサターンV型ロケットの3段目で、S-IVB（エスフォービー）とも呼ばれる。アポロ13号以降ではこのブースターを月面に衝突させ、人工月震を発生させた。なおアポロ12号のブースターは太陽周回軌道と地球周回軌道を行き来しているとみられ、小惑星と誤認されたことも。
※2：司令船と連結している支援船は、機械船、サービス・モジュール（SM）ともいう。ロケットエンジンを備え、エンジン燃料のほか、酸素、燃料電池（発電時に水も生成）などを搭載している。月－地球往復時には宇宙飛行士は司令船に搭乗し、月面探査の際には2人が乗った着陸船が切り離され、司令船は月を周回して着陸船を待つ。
※3：月の裏側を通過して地球に戻る「自由帰還軌道」。この軌道に乗れば、それ以上の操作なしに地球に帰還できる。ただしアポロ13号は、着陸点の選択肢を広げるために飛行ルートがこの軌道からややずれていたため、途中で軌道修正が必要になった。
※4：地震（earthquake）のearthは一般に地球ではなく、大地を意味する。また、英語のquakeは揺れるや震動するの意。なおmoonには衛星という意味もあるため、月以外の衛星の地震もmoonquakeと呼ぶ場合がある。
※5：このうちアポロ11号の地震計は月の過酷な温度環境に耐えられず、おそらくはオーバーヒートによって約1か月後に停止した（データは3週間分）。17号は他のアポロ計画の地震計とは異なり、簡易的な地震計（ジオフォン）を使用した。また、パリ地球物理研究所の川村太一らの研究グループは17号が設置した重力計のデータを月震観測データとして利用する試みに成功した。
※6：ただし資料により地殻の厚さは異なる。本文はNASAの以下のサイト（https://science.nasa.gov/moon/composition/#hds-sidebar-nav-3）の数値にもとづくが、NASAの別サイト（https://science.nasa.gov/moon/formation/#h-lunar-archaeology）では地球側70km、裏側150kmとしている。
※7：熱月震の震源となっている人工物として月面に放置されたアポロ17号着陸船の基部（着陸船発射台）がある。カリフォルニア工科大学の研究によれば、月の2週間の夜が終わって太陽光を浴びると、着陸船基部は5～6分ごとに震動するようになり、その規則正しい震動が5～7時間続くという。
※8：「ルナー・リコネサンス・オービター」がとらえた火山性平原の斑点模様は、1億年ほど前（一部は5000万年前）に火山活動によって生じたものだとする最近の解析結果がある。また中国の嫦娥5号が持ち帰った月の火山岩の一部も約1億2000万年前のものと推定された。このようなことから現在も火山活動が続いていると見る研究者もいる。
文／新海裕美子 編集／sorae編集部
参考文献・出典
- Moonquakes - NASA Science
- NASA SVS | Apollo 13 S-VIB impact site
- The Apollo 13 Flight Journal
- 田中智 et al.,日本惑星科学会誌, vol.20 (2011) 4
- F. Press et al., NASA-CR-137239 (1972)
- Rudy Molinek, Smithsonian magazine, Aug. 2 (2024)
- Jason Daley, Smithsonian magazine, May 14 (2019)
- William Steigerwald, NASA news release, May 13 (2019)
- Moon Composition - NASA Science
- Moon Formation - NASA Science
- William Steigerwald, NASA solar system/moon, Jan. 25 (2024)
- Apollo 17 Lunar Surface Journal, Traverse to Geology Station 3
