大型放射光施設 SPring-8

公開日

2021年04月22日

2021年4月22日
立命館大学
京都大学
東京工業大学
北海道大学
高輝度光科学研究センター

＜研究成果の概要＞
　炭素質コンドライトと呼ばれる隕石（サッターズミル隕石： Sutter's Mill）の中に、大型放射光施設SPring-8のX線ナノCTおよび低温下での透過型電子顕微鏡を用いた分析により、鉱物中に閉じ込められた二酸化炭素（CO₂)に富む液体の水（CO₂に富む流体包有物）を世界で初めて発見しました。この流体包有物は太陽系形成時のCO₂を含む氷に由来すると考えられます。
　このような氷は太陽からかなり離れた低温領域（CO₂が氷として存在できるCO₂スノーラインの外側）で形成されたもので、この隕石をもたらした小天体（母天体）自身もこのような低温領域で形成されたと考えられます。この領域は木星の形成領域よりも外側に位置することから、太陽系形成当時にこの隕石が木星の外側ででき、その後の木星の軌道変化に伴なって現在の小惑星帯（木星軌道の内側にある）に移動したという、最近のダイナミックな太陽系形成モデル（理論）の物質科学的な証拠（エビデンス）であると言えます。
　炭素質コンドライトは、初代はやぶさが採取したサンプルとは異なります。一方、はやぶさ２サンプルは炭素質コンドライトあるいはその類似物と考えらえており、これから始まるはやぶさ２サンプルの分析においても、同様に液体の水が見いだせるかもしれません。

＜研究の背景＞
　太陽系において水は、太陽系の進化や地球の海の形成さらに生命の誕生に重要な関わりを持っています。始原的な隕石である炭素質コンドライトには、炭素質物質（有機物）だけでなく水も含まれています。しかしこれらの“水”は、鉱物の結晶構造中に水酸基（OH）や水分子（H₂O）として存在し、液体としての水はこれまで発見されていませんでした。
　今回我々は、新しい手法を用いて炭素質コンドライトのひとつであるサッターズミル（Sutter’s Mill）隕石中に、液体の水を探しました。この時着目したのは、方解石（CaCO₃）という鉱物です。ほとんどの隕石は太陽系初期に形成された小惑星（隕石の母天体）からやってきたものですが、石の成分（鉱物）と共に集積した氷が融けて、水は鉱物と反応し水質変成が起こります。方解石はこの時に水溶液から析出したものと考えられます。方解石が成長するときに取り込んだ当時の水が、方解石粒子の中に包有物として残っている可能性があるのです。

＜研究の内容＞
　分析では、まず隕石の薄片中に方解石の粒子を探しました（図1A）。このような方解石粒子を含む30ミクロン程度の物体を集束イオンビーム（FIB）と呼ばれる装置を用いて切り出しました。これらのX線ナノCT撮影を、大型放射光施設SPring-8^*)のビームラインBL47XUにおいて行い、その３次元内部構造を1画素が約60〜100 nmという超高空間分解能で得ました。これにより、図1Bに示したように数ミクロンよりも大きな包有物を方解石中に多数見出すことができました。
　これらの包有物は平坦な結晶面をもち、その中に液体が存在していたはずです。しかしながら、この中身をよく調べてみると現在は空隙で、かつては存在していた水が46億年という長い間のどこかで逃げてしまったと考えられます。
　一方、方解石中には１ミクロンより小さなナノメートルサイズの包有物（ナノ包有物）が無数に存在していることもわかりました。このような小さな包有物の中身はX線CTでは調べることができないので、透過型電子顕微鏡（TEM）による観察を行いました（図1 C）。もしその中に水が入っていると、水は凍るはずです。このようにしてできた氷は結晶なので、電子線回折によって検出できるはずです。そこで、低温ステージを用いて着目したナノ包有物（図1D）の電子線回折図形を撮りました（図1E,F）。すると、常温（20℃）でみえるホストの方解石結晶の回析スポット（図1Fの斑点）に加えて、低温（-100℃）で新たな回析スポット（図1Eの黄色の矢印）が出現しました。その位置から、これらの回折スポットはH₂Oの氷ではなく、CO₂の氷あるいはCO₂ハイドレート(CO₂·5.75H₂O)と呼ばれる氷であることがわかりました。すなわち、包有物中に含まれていたのは純粋な液体の水（H₂O）ではなく、CO₂を含む流体だったのです。さらに、CO₂-H₂O系の相図から流体に含まれるCO₂の量は15%以上ということもわかりました。また、サッターズミル隕石が受けた水質変成時にこのような多量のCO₂を含む流体が存在できる条件として、母天体の直径はおおよそ100 kmよりも大きなものであったこともわかりました。

＜研究の意義＞
　このような多量のCO₂を含む流体の存在は、隕石母天体がCO₂を含む氷とともに形成されたことを意味しています。今から約46億年前の太陽系形成時には、太陽からの距離により、その位置よりも外側の低温領域ではH₂O, CO₂, COなどの氷が存在するスノーライン（雪線とも言われます）が存在しました。今回の結果は、サッターズミル隕石母天体がCO₂スノーラインよりも外側で作られたことを意味しています。一方、今回CO氷は見つからなかったので、COスノーラインよりも内側ということになります。図2はこの様子を示しています。横軸に初期太陽系の進化による時間経過が示されており、時間経過（すなわち太陽系全体が冷えること）による各スノーラインの変化も見てとれます。
　従来の太陽系形成理論のモデルでは、惑星や小惑星をはじめとする小天体が形成された位置は現在の軌道と大きく変わらないと考えられていました。ところが、最近のモデルでは、惑星や小天体は形成後その軌道が変化した（移動した）と考えられるようになりました。このモデルによると、木星は現在の軌道よりもやや内側で形成されたと考えられていて、図2は母天体が木星より外側で形成されたことを示しています。また、最近の研究により、隕石や地球外物質の安定同位体組成が炭素質コンドライトとそれ以外のものの２つのグループに大別されることがわかり、前者は木星の外側、後者は内側で形成されたと考えられています。新しいモデルによると、木星はやがて現在の軌道へと移動し、その時に多くの小天体も軌道変化を受け、サッターズミル隕石母天体も火星と木星の間にある小惑星帯に移動したと考えられます。すなわち、今回の発見は新しい太陽系形成モデルの物質科学的な証拠（エビデンス）を示したということになります。
　初代はやぶさ探査機が採取した小惑星イトカワのサンプルは、普通コンドライトと呼ばれる隕石に対応していました。一方、はやぶさ２探査機が採取した小惑星リュウグウのサンプルは、炭素質コンドライトあるいはそれに類似した物質に対応すると考えられています。もうすぐ始まる初期分析により、はやぶさ２サンプルにも同様に液体の水を見いだし、小惑星リュウグウの形成条件を決定することができるかもしれません。

【用語解説】