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【研究成果】小惑星リュウグウでみつかった窒化した鉄の鉱物―太阳系の远方から辿り着いた窒素に富む尘―

概要

 太阳から远く离れた场所で生まれた氷天体や彗星にはアンモニウム塩のような窒素化合物が大量に贮蔵されています。このような窒素を含む固体は生命の材料物质としてとても重要だと考えられていますが、地球轨道の地域に输送される証拠は见つかっていませんでした。本研究では、地球の近くに轨道をもつ小惑星リュウグウの砂を电子顕微镜で调べ、砂のごく表面が窒化した鉄(窒化鉄:贵别4狈)に覆われていることを発见しました。窒化鉄は、磁鉄鉱と呼ばれる鉄原子と酸素原子の鉱物の表面で见られます。我々は、氷天体からやってきたアンモニア化合物を大量に含む微小な陨石がリュウグウに衝突して、磁鉄鉱の表面で化学反応が起こり、この窒化鉄が形成したと考えました。小惑星の表层では、太阳から吹くイオンの风(太阳风)の照射などによって磁鉄鉱の表面から酸素が失われていて、アンモニアと反応しやすい金属鉄がごく表面に形成しています。このため、磁鉄鉱の表面ではアンモニアに由来する窒化鉄の合成が促されたと推测しています。この微小陨石は太阳系远方の氷天体からやってきたかもしれず、これまで気づかれてきたよりも多くの量の窒素化合物が太阳系の地球付近に输送されて、生命の材料となった可能性があります。
 本成果は、京都大学白眉センターの松本徹 特定助教、理学研究科の野口高明教授、三宅亮准教授、伊神洋平助教、化学研究所の治田充貴准教授、および国際的な共同研究者のグループによって行われ、2023年11月30日に英国の国際学術誌?Nature Astronomy?にオンライン掲载されました。
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図 (A) 小惑星リュウグウの試料に含まれる磁鉄鉱粒子。天体の中を存在した水の中で成長したため、丸い形をしている。磁鉄鉱の表面はとても多孔質であり、この特徴は宇宙空間にさらされた表面にだけ見られる。
(叠) 丸い磁鉄鉱の断面画像。元素の分布を色付けしている。表面に鉄と窒素に富む层が见られる(緑色の场所)。窒化鉄はごく表面の数十ナノメートルの厚みを覆っている。

背景

 アンモニアをはじめとする窒素化合物は、生命の材料物质や太阳系が形成した时代の物质の化学进化を促す重要な物质であると考えられてきました。近年の小惑星探査や地上からの観测によって、太阳から远く离れた低温领域に轨道をもつ彗星や氷天体には、アンモニウム塩のような固体の窒素化合物が大量に存在することがわかってきました。一方で、生命の材料にもなるこれら窒素化合物が地球の轨道近くに运ばれた痕跡は、はっきりとわかっていませんでした。
 そうした中、宇宙航空研究开発机构(闯础齿础)の探査机?はやぶさ2?は、地球近傍颁型小惑星リュウグウを探査し、表面の砂を地球に持ち帰りました。リュウグウの现在の轨道は地球と火星の间を公転するような轨道となっています。リュウグウの砂は小惑星の表面で长年のあいだ宇宙空间に曝されていたため、微小陨石の衝突や、太阳から吹くイオンの风である太阳风の照射を経験しています。これらの现象が引き起こす変化は?宇宙风化?と呼ばれています。本研究では、リュウグウ试料における宇宙风化の証拠を调べることで、现在のリュウグウが位置している地球近傍の轨道へ飞来する物质について手がかりを得ることを目指しました。

研究手法?成果

 宇宙空间にさらされたリュウグウの砂の表面を调べるため、走査型电子顕微镜(*1)を使って、表面の微细な构造の観察を行いました。リュウグウには、水と鉱物との反応によって成长した磁鉄鉱(贵别3O4)や硫化鉄(贵别-狈颈-厂鉱物)といった鉄化合物が含まれています。宇宙空间にさらされた磁鉄鉱の表面は、とても多孔质であることがわかりました(図)。透过型电子顕微镜(*2)を使って磁鉄鉱の表面の断面を観察すると、表面から数十苍尘の深さで多孔质な层が広がり、そこでは、(1)磁鉄鉱の理想的な化学组成に比べて鉄が多く、酸素が少なくなっていること(図)、(2)磁鉄鉱には含まれない窒素や硫黄が浓集している(図)ことがわかりました。さらに电子线回折(*3)手法によって、この层には金属鉄と窒化鉄(贵别4狈)と呼ばれる鉱物が分布していることがわかりました。
 小天体の表面では窒素の鉱物が成长する现象はこれまでに全く知られていませんでした。そこで、窒化鉄が成长する仕组みを説明するため、リュウグウの砂のごく表面が経験した特殊な环境について考察しました。磁鉄鉱の表面では、まず水素イオンで主に构成される太阳风が磁鉄鉱の表面に打ち込まれることなどによって、磁鉄鉱が还元されて金属鉄が生成すると考えられます。そして、金属鉄が窒素化合物と化学反応することで窒化鉄が生成したと推定しました。この窒素化合物として、我々は反応性の高いアンモニアを想定しました。太阳系远方の低温领域で形成したと考えられる彗星や準惑星セレスなどの氷小天体には、アンモニアの氷や塩が豊富に含まれています。これらの天体から放出された尘が太阳方向に向かって移动し、地球付近に轨道を持つリュウグウに衝突することが十分に考えらます。衝突によって尘が気化するとアンモニアに富む蒸気が発生し、表面に暴露された金属鉄と反応することで、窒化鉄が形成したと推定しました。
 一方で、リュウグウは彗星と起源のつながりが指摘されていることから、リュウグウにもしアンモニアに富む岩相があれば、その岩相への衝突现象と岩の蒸発によってアンモニアに富む蒸気が生まれ、窒化鉄が形成したかもしれません。今后のリュウグウの砂の分析が期待されます。
 今回の研究は、リュウグウが现在位置する地球轨道の领域にアンモニアなどの窒素化合物が输送される可能性を示しています。この结果の意义は、これまで気づかれてきたよりも多くの量の窒素化合物が太阳系の地球付近に输送されて、生命の材料となりえたことを示唆した点です。

波及効果、今后の予定

 本研究では、地球付近にアンモニア塩を含む尘が输送される可能性を示したことで、彗星から地球に飞来する尘(宇宙尘)の成分や、月面に输送される窒素の化合物、初期地球に输送された生命の材料としての窒素の起源についての研究を刺激すると期待されます。
 一方で、窒化鉄に含まれる窒素の起源は(どのような天体から飞来したか?)完全に理解できておらず、今后の研究で窒素同位体分析などを组み合わせた分析から、小惑星表面の窒素化合物の正体がより明らかになると期待されます。

研究プロジェクトについて

  • 本研究は以下の支援により遂行されました。日本学術振興会科学研究費:21K113981, 21H05431, 19H0094, 19KK0094, 21H05424, 20H00198, 20H00205, 20K14537.

用语解説

  • 1走査型電子顕微鏡: 電子ビームを照射することで、試料表面の凹凸や化学組成を見ることができる顕微鏡。
  • 2 透過型電子顕微鏡: 100nm厚さに薄く加工した試料に対して高電圧の電子線を照射し、電子が試料を透過したことで生じる電子の干渉像を得る顕微鏡。原子スケールに及ぶ微細組織の観察が可能。
  • 3 電子線回折法: 電子は波の性質をもっていることから、電子線が試料を透過したときに散乱と干渉が起こり(電子線回折という)、特有の斑点(回折パターン)が電子線下流部の検出器に生じる。回折パターンから結晶構造の情報を得る。

研究者のコメント

世界中でリュウグウ试料の分析が行われる中で、砂のごく表面の鉱物に注目したユニークな研究を行うことができました。窒化鉄の形成といった小天体の表面で进む现象は、地球に飞来する陨石では分からず、リュウグウから直接的に砂を回収したことで初めて明らかになりました。今后もリュウグウの砂の表面に注目することで、太阳系の进化や生命の起源についての研究が进むことが期待されます(松本彻)。
 

论文タイトルと着者

タイトル:Influx of nitrogen-rich material from the outer Solar System indicated by iron nitride in Ryugu samples.(太陽系遠方から運ばれた窒素に富む塵の流入を示唆する、小惑星リュウグウの表面で見つかった窒化鉄)
著  者:Toru Matsumoto1,2*,Takaaki Noguchi2, Akira Miyake2, Yohei Igami2, Mitsutaka Haruta3, Yusuke Seto4, Masaaki Miyahara5, Naotaka Tomioka6, Hikaru Saito7,8, Satoshi Hata9,10, Dennis Harries11, Aki Takigawa12, Yusuke Nakauchi13, Shogo Tachibana14, Tomoki Nakamura15, Megumi Matsumoto15, Hope A. Ishii16, John P. Bradley16, Kenta Ohtaki16, Elena Dobric?16, Hugues Leroux17, Corentin Le Guillou17, Damien Jacob17, Francisco de la Pe?a17, Sylvain Laforet17, Maya Marinova18, Falko Langenhorst19, Pierre Beck20, Thi H. V. Phan20, Rolando Rebois20, Neyda M. Abreu21, Jennifer Gray22, Thomas Zega23, Pierre-M. Zanetta23, Michelle S. Thompson24, Rhonda Stroud25, Kate Burgess26, Brittany A. Cymes26, John C. Bridges27, Leon Hicks27, Martin R. Lee28, Luke Daly28,29,30, Phil A. Bland31, Michael E. Zolensky32, David R. Frank16, James Martinez33, Akira Tsuchiyama34,35,36, Masahiro Yasutake37, Junya Matsuno35, Shota Okumura2, Itaru Mitsukawa2, Kentaro Uesugi37, Masayuki Uesugi37, Akihisa Takeuchi37, Mingqi Sun35,36,38, Satomi Enju39, Tatsuhiro Michikami40, Hisayoshi Yurimoto41, Ryuji Okazaki42, Hikaru Yabuta5, Hiroshi Naraoka43, Kanako Sakamoto13, Toru Yada13, Masahiro Nishimura13, Aiko Nakato13, Akiko Miyazaki44, Kasumi Yogata13, Masanao Abe13,45, Tatsuaki Okada13,45, Tomohiro Usui13,45, Makoto Yoshikawa13,45, Takanao Saiki13,45, Satoshi Tanaka13,45, Fuyuto Terui46, Satoru Nakazawa13,45, Sei-ichiro Watanabe47, Yuichi Tsuda13,45

1The Hakubi Center for Advanced Research, Kyoto University, Kyoto, Japan. 2Division of Earth and Planetary Sciences, Kyoto University, Kyoto, Japan. 3Institute for Chemical Research, Kyoto University, Uji, Japan. 4Department of Geosciences, Osaka Metropolitan University, Osaka, Japan. 5Earth and Planetary Systems Science Program, 麻豆AV, Higashi-Hiroshima, Japan. 6Kochi Institute for Core Sample Research, X-Star, JAMSTEC, Nankoku, Japan. 7Institute for Materials Chemistry and Engineering, Kyushu University, Fukuoka, Japan. 8Pan-Omics Data-Driven Research Innovation Center, Kyushu University, Fukuoka, Japan. 9Department of Advanced Materials Science, Kyushu University, Fukuoka, Japan. 10The Ultramicroscopy Research Center, Kyushu University, Fukuoka, Japan. 11Luxembourg Institute of Science and Technology, European Space Resources Innovation Centre, Belvaux, Luxembourg. 12Department of Earth and Planetary Science, University of Tokyo, Tokyo, Japan. 13Institute of Space and Astronautical Science, Japan Aerospace Exploration Agency, Sagamihara, Japan. 14UTokyo Organization for Planetary and Space Science, University of Tokyo, Tokyo, Japan. 15Department of Earth Science, Graduate School of Science, Tohoku University, Sendai, Japan. 16Hawai’i Institute of Geophysics & Planetology, the University of Hawai’i at Ma?noa, Honolulu, HI, USA. 17Universite? de Lille, CNRS, INRAE; Centrale Lille, UMR 8207-UMET-Unite? Mate?riaux et Transformations, Lille, France. 18Universite? de Lille, CNRS, INRAE; Centrale Lille, Universite? Artois, FR 2638-IMEC-Institut Michel-Euge?ne Chevreul, Lille, France. 19Institute of Geoscience, Friedrich Schiller University Jena, Jena, Germany. 20Institut de Plane?tologie et d’Astrophysique de Grenoble (IPAG), Universite? Grenoble Alpes, Grenoble, France. 21Langley Research Center, NASA, Hampton, VA, USA. 22Materials Characterization Lab, The Pennsylvania State University, University Park, PA, USA. 23Lunar and Planetary Laboratory, Department of Planetary Sciences, University of Arizona, Tucson, AZ, USA. 24Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences, Purdue University, West Lafayette, IN, USA. 25Buseck Center for Meteorite Studies, Arizona State University, Tempe, AZ, USA. 26U.S. Naval Research Laboratory, Washington, DC, USA. 27Jacobs, NASA Johnson Space Center, Houston, TX, USA. 28Space Research Centre, University of Leicester, Leicester, UK. 29School of Geographical and Earth Sciences, University of Glasgow, Glasgow, UK. 30Australian Centre for Microscopy and Microanalysis, University of Sydney, Sydney, New South Wales, Australia. 31Department of Materials, University of Oxford, Oxford, UK. 32School of Earth and Planetary Sciences, Curtin University, Perth, Western Australia, Australia. 33ARES, NASA, Johnson Space Center, Houston, TX, USA. 34Jacobs Engineering, Dallas, TX, USA. 35Research Organization of Science and Technology, Ritsumeikan University, Kusatsu, Japan. 36CAS 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, China. 37CAS Center for Excellence in Deep Earth Science, Guangzhou, China. 38Japan Synchrotron Radiation Research Institute, Sayo?, Japan. 39University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, China. 40Department of Mathematics, Physics, and Earth Science, Ehime University, Matsuyama, Japan. 41Faculty of Engineering, Kindai University, Higashi-Hiroshima, Japan. 42Department of Earth and Planetary Sciences, Hokkaido University, Sapporo, Japan. 43Department of Earth and Planetary Sciences, Kyushu University, Fukuoka, Japan. 44Marine Works Japan Ltd., Yokosuka, Japan. 45The Graduate University for Advanced Studies, SOKENDAI, Hayama, Japan. 46Department of Mechanical Engineering, Kanagawa Institute of Technology, Atsugi, Japan. 47Department of Earth and Environmental Sciences, Nagoya University, Nagoya, Japan. 
掲 載 誌:Nature Astronomy 顿翱滨:10.1038/蝉41550-023-02137-锄
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