大型放射光施設 SPring-8

公開日

2011年08月26日

2011年8月26日
東北大学
大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構

発表のポイント
•放射光X線回折分析^＊1により、小惑星イトカワの微粒子サンプルの鉱物組成を世界で初めて分析した
•イトカワは、LL3〜6コンドライト隕石に類似した物質でできている
•イトカワの母天体の中心部分は、かつて約800℃まで上昇し、衝突現象と再集積により、現在のイトカワになった

研究開発の背景と目的
地球に飛来する隕石は、その化学組成が揮発性元素を除き太陽の化学組成に近いことから、太陽系で最も未分化で原始的な物質であると考えられています。隕石の反射スペクトル^＊4が小惑星のそれと似ていることから、隕石は小惑星から飛来してきていると考えられてきました。しかし、隕石と小惑星の反射スペクトルの細部が合わず、本当に隕石が小惑星から飛来しているのかはこれまで不明でした。中村准教授らの研究グループでは、小惑星探査機はやぶさが回収したS型小惑星イトカワの微粒子を放射光X線回折分析などによる鉱物学的研究を行うことにより、反射スペクトルで予想されたLLコンドライト隕石物質に類似しているかを突き止める研究を行いました。

研究の手法
放射光X線回折分析により、完全非破壊で微粒子内部に存在する鉱物の種類と割合を知ることができます。中村准教授らはKEK放射光科学研究施設フォトンファクトリー（PF）のBL-3Aにおいて小惑星イトカワの微粒子（粒径30〜150ミクロン）一粒一粒をガンドルフィカメラ^＊5に設置し、単色化された放射光X線（波長約2Å程度）を照射しました。X線回折により微粒子から生じた回折X線をガンドルフィカメラ内のイメージングプレートに記録し、微粒子の構成鉱物の情報を得ることに成功しました。使用したBL-3AはPFにある硬X線ビームライン中で最高強度のX線を利用でき、微量試料を検知することができます。また、高強度であることから分析時間も短縮され、一微粒子の測定時間は10～30分程度で高解像度のX線回折データを得ることができました。KEKで分析を行った結果を精査し、斜長石が多く含まれる試料については、さらにSPring-8内に設置された物質・材料研究機構のビームライン（BL15XU）にて詳細なX線回折分析を行いました。なお、SPring-8では田中雅彦氏（現 物質・材料研究機構）が改良を行った高分解能ガンドルフィカメラを用い、田中氏とともに分析を行いました。

得られた成果
38粒子のX線回折分析を行った結果、イトカワ粒子を構成する鉱物は、カンラン石が最も多く、次にカルシウム（Ca）に乏しい輝石、Caに富む輝石、斜方石、量は少ないが良く含まれる鉱物として、トロイライト（硫化鉄）、テーナイト（鉄ニッケル金属）、クローマイトなどがあることがわかりました。この鉱物組み合わせは地球岩石にはなく、コンドライト隕石特有のものです。また、カンラン石が最も存在度が高いということは、電子顕微鏡を用いた分析とも整合的であり、イトカワ微粒子がLLコンドライト的物質であることを示しています。この結果は、小惑星イトカワが太陽系の最も始原的な物質で構成されているということを示す重要な成果といえます。

今後の予定
本研究成果は、小惑星探査機はやぶさがイトカワに2回目にタッチダウンした際に得られた試料を分析した結果によるものです。今後は、1回目にタッチダウンした際に得られた試料に対し、同様の放射光を用いたX線回折分析を行い、2回目のタッチダウンに得た試料の鉱物学的特徴と比較検討を行う予定です。これにより、小惑星イトカワ表層物質の、場所による均一/不均一性を調べることができます。この視点は、イトカワの細粒領域（ミューゼス地域）がどのようなプロセスで形成されたかを知る上で、重要な証拠になると考えられています。

《用語解説》
＊1　放射光X線回折分析
ほぼ光速で進む電子の進行方向に対し、磁石などによって曲げると発生する極めて強度の強い電磁波を「放射光（シンクロトロン放射）」と呼ぶ。放射光のうち、ある波長領域のX線を利用して、その回折パターンから微粒子に含まれる鉱物の種類とその割合、結晶の向きなどを決定することができる。また、結晶中の原子間距離などを調べることで鉱物が作られた環境を知る手掛かりが得られる。特に、放射光X線は強度と平行度が高いので、回折ピークをシャープにして、測定精度を上げることができる。

＊2　大型放射光施設SPring-8
兵庫県にある大型放射光施設。「放射光（シンクロトロン放射）」を提供する共同利用施設。国内外の研究者の共同利用施設として、物質科学・地球科学・生命科学・環境科学・産業利用などの分野で利用されている。

＊3　LLコンドライト
隕石はその成分により、石質隕石、石鉄隕石、鉄隕石に分けられるが、石質隕石のうちコンドリュールという主にケイ酸塩鉱物（カンラン石、輝石）から成る、直径約１mm程度の大きさの小球体を含むものをコンドライトと呼ぶ。コンドライトは、金属鉄の含有率や珪酸塩鉱物中の鉄の含有率などでさらに5つの種類（Eコンドライト、Hコンドライト、Lコンドライト、LLコンドライト、炭素質コンドライト）に分類されるが、そのうちH、L、LLコンドライトの3種をまとめて「普通コンドライト」と呼んでいる。さらにそれぞれのコンドライトの熱変成度に応じて3から6までの数字を付加して分類する。

＊4　反射スペクトル
光が物質表面で反射する際の波長ごとの反射率の違いによる強度分布のこと。小惑星が太陽光を反射する様子を地上から観測することで、色、アルベド（反射能）、反射スペクトルの違いから大きく炭素質（C型）、ケイ素質（S型）、金属質（M型）に分類される。

＊5　ガンドルフィカメラ
微小試料（直径5～200ミクロン）のX線回折分析を行うX線カメラである。試料は、極細（直径約5ミクロン）の炭素質ファイバーの先端に固定され、カメラ内部に設置される。カメラ内部は真空に保たれ、カメラのコリメータで絞られた直径300ミクロンの放射光がカメラ内の試料に照射される。試料は、カメラ内部で歳差回転をしており、様々な試料面がX線に対して露出される。試料の回折X線は、カメラ内に設置されたイメージングプレートに記録される。その結果、複数の鉱物から構成される微小試料の鉱物種、割合を知ることができる。