大型放射光施設 SPring-8

公開日

2022年08月16日

2022年8月16日
国立研究開発法人 宇宙航空研究開発機構
国立研究開発法人 海洋研究開発機構
公益財団法人 高輝度光科学研究センター
大学共同利用機関法人 情報・システム研究機構 国立極地研究所
大学共同利用機関法人 自然科学研究機構 分子科学研究所
神奈川大学
オープン大学
大阪大学
立命館大学
名古屋大学

本研究のポイント
１．分析した試料の鉱物組み合わせは、リュウグウ粒子は形成後に大規模な水質変成を受けたことを示す。
２．微細な鉱物と有機物を含む領域の水素と窒素同位体組成の関係は、リュウグウ粒子の構成物質が太陽系外縁部^※２で形成されたことを示唆する。
３．粗粒の含水ケイ酸塩鉱物中に、脂肪族炭素に富む有機物が濃集していた。この特徴は、これまでの隕石の研究からは確認されておらず、リュウグウ天体に特有のものと推察される。
４．これらの結果から、始原的天体中の粗粒含水ケイ酸塩鉱物が有機物や水のゆりかごとなり、そのままの状態で地球に運ばれた可能性が考えられる。

1．背景
　我々が住む地球はその歴史の中で、加熱などによる様々な変成・変質を受け続けることにより、形成当時の情報を失いました。しかし、小惑星リュウグウは熱による影響が少なかったと考えられており、約46億年前に太陽系が形成された頃の有機物や含水鉱物を、今も残している可能性があります。このような有機物や鉱物から化学的情報を得ることで、太陽系の形成史だけでなく、地球の水の起源や地球生命に至るまでの有機物進化過程などの解明も期待されることから、試料の直接採取が待ち望まれていました。
　国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構（JAXA）による小惑星探査機「はやぶさ２」は、2014年12月3日に打ち上げられ、リュウグウに到着して近接分光観測を行うとともに、2度の試料採取に成功しました。試料を封入したカプセルは、2020年12月6日にオーストラリア・南オーストラリア州のウーメラ砂漠で回収されました。このカプセルからは、総量約5.4グラム程度の黒い砂状粒子が確認されています。その後、JAXA地球外試料キュレーションセンター（ESCuC）は、１粒子毎の光学観察や重量測定を中心とした初期記載を行い、2021年11月にリュウグウ粒子の初期記載論文を報告しました。本年6月以降、Phase-2キュレーションチームと初期分析チームそれぞれから、初期成果論文が欧米日の科学誌に順次公表されます。

2．成果
　Phase-2キュレーションJAMSTEC高知コア研究所は、2015年からJAXAキュレーションチームとともに、将来の惑星探査、地球惑星物質分析とキュレーション活動に資する試料の保管・輸送法や分析技術の向上を進めてきました。開発した機器や分析技術を駆使し、JAXAキュレーションと共同でリュウグウ粒子の分析を担当しています。
　2021年6月中旬から大型放射光施設SPring-8^※３ BL20XUにてX線CT撮影を行い、各粒子の形状や内部構造を取得することで、どの部分がどの分析に適しているかを決定しました。その後、国内外研究機関それぞれに、リュウグウ粒子を地球大気に触れぬよう輸送しました。貴重なリュウグウ試料の国外輸送にあたっては、駐日英国大使館、外務省、文部科学省の協力を得て、英国オープン大学と米国UCLAに安全かつスピーディに試料を送ることができました。
　Phase-2キュレーション高知チームには、まず8個（1〜4ミリメートル）、合計50mg程度のリュウグウ粒子が配分されました。米粒程度の大きさのリュウグウ粒子から効率よく、かつ最大限に化学的情報を得て、リュウグウ試料カタログに反映することを目的としています。我々の分析に基づくリュウグウ粒子の元素組成は、先に報告されたYokoyama et al. (2022, Science), Nakamura E. et al. (2022, 日本学士院紀要）と矛盾がなく、「リュウグウは太陽系全体の元素組成を代表する始原的な物質である」という確証が得られました。また、粒子ごとに多少の違いはありますが、水が関与して形成したと考えられる鉱物が多く見られます（図1）。このことから、リュウグウには過去に氷が存在し、その氷が溶けてできた水と、もともと含まれていた鉱物が反応した結果、現在我々が観察している鉱物が作られたと考えられます。

　もっと細かい物質がどうなっているのかを、超高解像度二次イオン質量分析装置（NanoSIMS）^※４により分析したところ、水素と窒素は、地球と比べると重い同位体成分に富んでいることがわかりました。この結果は、宇宙塵と良い一致を示すばかりではなく、彗星の値に近い傾向も見られます（図2）。このことは、リュウグウ粒子は熱の影響をあまり受けず、形成当時の物質科学的情報を保っていることを示唆しています。これらの粒子は太陽系の外縁部で形成後、現在の位置まで移動したと考えられます。

　走査型透過X線顕微鏡（STXM）^※６と超高分解能透過型電子顕微鏡（TEM）^※７による分析を組み合わせることで、脂肪族炭化水素に富む有機物^※８は、粗粒の含水ケイ酸塩鉱物^※９と複雑に入り混じった組織を持つことが明らかになりました（図3）。この組織は、有機物が水の存在下で鉱物と反応したことを示す、世界で初めての直接的証拠です。脂肪族炭化水素に富む有機物は、30度以上の温度になると分解するという研究報告があります。つまり、脂肪族炭化水素に富む有機物の存在から、リュウグウは30度以下の温度しか経験していないと考えられます。一方、どのような種類の有機物が該当する領域に含まれるのかは、今後の研究に続きます。

3．今後の展望
　有機物や水が地球にどのように運ばれたか、未だに大きな議論が続いています。リュウグウ粒子中の粗粒の含水ケイ酸塩鉱物は、有機物や水の供給源の一つの可能性があります。粗粒の含水ケイ酸塩鉱物に含まれる有機物は、細粒の含水ケイ酸塩鉱物に含まれる有機物よりも、分解などに対し強いと考えられるため、そのままの状態で地球に運ばれたかもしれません。一方、リュウグウ粒子の水素同位体は地球と比べて重い成分に富むため、リュウグウのような小惑星のみが地球への水の供給源とは言えません。一方、小惑星イトカワの粒子には、太陽風由来の軽い水素同位体組成を持つケイ酸塩鉱物が見つかっています。様々な水素同位体組成を持つ成分が混じり合うことで、地球の水ができた可能性があります。
　「小惑星リュウグウを形づくった微粒子は、かつて太陽系の外側で形成され、水と有機物がたくさん含まれていた。このような始原的な小惑星は、その後太陽系の内側までやってきて、地球に水や有機物を供給した」という仮説を本研究で立てる事ができました。今後、小惑星リュウグウ粒子の更なる分析や小惑星ベンヌ（NASAオサイリス・レックスミッション）の研究により、この仮説の検証ができると考えています。

（用語解説）

4．論文情報
論文タイトル：A pristine record of outer Solar System materials from asteroid Ryugu's returned sample

著者名：
Motoo Ito^1*, Naotaka Tomioka¹, Masayuki Uesugi², Akira Yamaguchi^3,4, Naoki Shirai^5,¥, Takuji Ohigashi^4,6,¥¥, Ming-Chang Liu⁷, Richard C. Greenwood⁸, Makoto Kimura³, Naoya Imae^3,4, Kentaro Uesugi², Aiko Nakato⁹, Kasumi Yogata⁹, Hayato Yuzawa⁶, Yu Kodama^10,$, Akira Tsuchiyama^11,12,13, Masahiro Yasutake², Ross Findlay⁸, Ian A. Franchi⁸, James A. Malley⁸, Kaitlyn A. McCain⁷, Nozomi Matsuda⁷, Kevin D. McKeegan⁷, Kaori Hirahara¹⁴, Akihisa Takeuchi², Shun Sekimoto¹⁵, Ikuya Sakurai¹⁶, Ikuo Okada¹⁶, Yuzuru Karouji¹⁷, Masahiko Arakawa¹⁸, Atsushi Fujii⁹, Masaki Fujimoto⁹, Masahiko Hayakawa⁹, Naoyuki Hirata¹⁸, Naru Hirata¹⁹, Rie Honda^20,$$, Chikatoshi Honda¹⁹, Satoshi Hosoda⁹, Yu-ichi Iijima^†, Hitoshi Ikeda⁹, Masateru Ishiguro²¹, Yoshiaki Ishihara¹⁷, Takahiro Iwata⁹, Kosuke Kawahara⁹, Shota Kikuchi²², Kohei Kitazato¹⁹, Koji Matsumoto²³, Moe Matsuoka⁹, Tatsuhiro Michikami²⁴, Yuya Mimasu⁹, Akira Miura⁹, Osamu Mori⁹, Tomokatsu Morota²⁵, Satoru Nakazawa⁹, Noriyuki Namiki²³, Hirotomo Noda²³, Rina Noguchi²⁶, Naoko Ogawa⁹, Kazunori Ogawa⁹, Tatsuaki Okada⁹, Chisato Okamoto^†, Go Ono⁹, Masanobu Ozaki^4,9, Takanao Saiki⁹, Naoya Sakatani²⁷, Hirotaka Sawada⁹, Hiroki Senshu²², Yuri Shimaki⁹, Kei Shirai⁹, Seiji Sugita²⁵, Yuto Takei⁹, Hiroshi Takeuchi⁹, Satoshi Tanaka⁹, Eri Tatsumi²⁸, Fuyuto Terui²⁹, Ryudo Tsukizaki⁹, Koji Wada²², Manabu Yamada²², Tetsuya Yamada⁹, Yukio Yamamoto⁹, Hajime Yano⁹, Yasuhiro Yokota⁹, Keisuke Yoshihara⁹, Makoto Yoshikawa⁹, Kent Yoshikawa⁹, Ryota Fukai⁹, Shizuho Furuya^9,25, Kentaro Hatakeda¹⁰, Tasuku Hayashi⁹, Yuya Hitomi¹⁰, Kazuya Kumagai¹⁰, Akiko Miyazaki⁹, Masahiro Nishimura⁹, Hiromichi Soejima¹⁰, Ayako Iwamae^10,$$$, Daiki Yamamoto^9,30, Miwa Yoshitake^9,$$$$, Toru Yada⁹, Masanao Abe⁹, Tomohiro Usui⁹, Sei-ichiro Watanabe³¹, and Yuichi Tsuda^4,9

著者所属：
[1] Kochi Institute for Core Sample Research, X-Star, Japan Agency for Marine-Earth Science Technology (JAMSTEC), Nankoku, Kochi 783-8502, Japan
[2] Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI/SPring-8), 1-1-1 Kouto, Sayo, Hyogo 679-5198, Japan
[3] National Institute of Polar Research (NIPR), Tachikawa 190-8518, Tokyo, Japan
[4] The Graduate University for Advanced Studies (SOKENDAI), Hayama 240-0193, Japan
[5] Graduate School of Science, Department of Chemistry, Tokyo Metropolitan University, Hachioji 190-0397, Tokyo, Japan
[6] UVSOR Synchrotron Facility, Institute for Molecular Science, 38 Nishigo-naka, Myodaiji, Okazaki, Aichi 444-8585, Japan
[7] Department of Earth, Planetary, and Space Sciences, UCLA 595 Charles Young Drive E., Los Angeles, CA 90095, USA
[8] The Open University, Walton Hall, Milton Keynes MK7 6AA, UK
[9] Institute of Space and Astronautical Science (ISAS), Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), Sagamihara, Kanagawa 252-5210, Japan
[10] Marine Works Japan, Ltd., Yokosuka 237-0063, Japan
[11] Research Organization of Science and Technology, Ritsumeikan University, Shiga 525-8577, Japan
[12] CAS Key Laboratory of Mineralogy and Metallogeny/Guangdong Provincial Key Laboratory of Mineral Physics and Materials, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences (CAS), Guangzhou 510640, People’s republic of China
[13] CAS Center for Excellence in Deep Earth Science, Guangzhou 510640, People’s republic of China
[14] Department of Mechanical Engineering, Osaka University, Osaka 565-0871, Japan
[15] Institute for Integrated Radiation and Nuclear Science, Kyoto University Kumatori-cho, Sennan-gun, Osaka 590-0494, Japan
[16] Synchrotron Radiation Research Center, Nagoya University, Furo-cho, Chikusa-ku, Nagoya, Aichi 464-8603, Japan
[17] JAXA Space Exploration Center, Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), Sagamihara, Kanagawa 252-5210, Japan
[18] Kobe University, Kobe 657-8501, Japan
[19] University of Aizu, Aizu-Wakamatsu 965-8580, Japan
[20] Kochi University, Kochi 780-8520, Japan
[21] Department of Physics and Astronomy, Seoul National University, Seoul 08826, Republic of Korea
[22] Chiba Institute of Technology, Narashino 275-0016, Japan
[23] National Astronomical Observatory of Japan, Mitaka 181-8588, Japan
[24] Kindai University, Higashi-Hiroshima 739-2116, Japan
[25] The University of Tokyo, Tokyo 113-0033, Japan
[26] Niigata University, Niigata 950-2181, Japan
[27] Rikkyo University, Tokyo 171-8501, Japan
[28] Instituto de Astrofísica de Canarias, University of La Laguna; Tenerife, Spain
[29] Kanagawa Institute of Technology, Atsugi 243-0292, Japan
[30] Earth-Life Science Institute, Tokyo Institute of Technology, Meguro, Tokyo 152-8550, Japan
[31] Nagoya University, Furo-cho, Chikusa-ku, Nagoya, Aichi 464-8601, Japan

¥ Current affiliation: Kanagawa University, 3-27-1 Rokkakubashi, Kanagawa-ku, Yokohama-shi, Kanagawa, 221-8686 Japan.
¥¥ Current affiliation: Photon Factory, Institute of Materials Structure Science, High Energy Accelerator Research Organization, Tsukuba, Ibaraki 305-0801 Japan
$ Current affiliation: Toyo Corporation
$$ Current affiliation: Center for Data Science, Ehime University, Matsuyama, Ehime 790-8577, Japan
$$$ Current address: Toyo University, Bunkyo, Tokyo 112-8606, Japan.
$$$$$ Current address: Japan Patent Office, Chiyoda, Tokyo 100-8915, Japan

†Deceased.
*Correspondence to Motoo Ito, motoojamstec.go.jp

掲載誌：Nature Astronomy
DOI：10.1038/s41550-022-01745-5