【研究成果】小惑星探査機「はやぶさ２」初期分析揮発性成分分析チーム研究成果の科学誌「Science」論文掲載について

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【研究成果】小惑星探査機「はやぶさ２」初期分析揮発性成分分析チーム研究成果の科学誌「Science」論文掲載について

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【研究成果】小惑星探査機「はやぶさ２」初期分析揮発性成分分析チーム研究成果の科学誌「Science」論文掲載について

小惑星リュウグウ试料の希ガスおよび窒素同位体组成
―リュウグウ挥発性物质の起源と表层物质进化―

概要

　小惑星探査机?はやぶさ２?が地球に持ち帰った近地球轨道小惑星リュウグウの表层および地下物质试料の希ガスと窒素の同位体组成を测定しました。リュウグウには太阳系形成时の希ガスがふくまれており、その量はこれまで报告されているどの陨石よりも多いことがわかりました。窒素同位体组成は试料ごとに异なっており、多様な窒素含有物质が今もリュウグウ试料には保存されていることがわかりました。太阳系形成时の始原的ガス以外にも、银河宇宙线によって生成された希ガスと太阳风起源の2种类の希ガスも含まれていました。多くのリュウグウ试料に含まれる太阳风起源ガスは仅かな量でした。第1回タッチダウン回収试料を10个、第2回タッチダウン回収试料を6个分析しましたが、多くの试料は太阳风希ガスをあまり含んでおらず、2试料だけが现在の轨道でそれぞれ3500年间、250年间の照射に相当する太阳风を含んでいました。太阳风は天体の最表层の物质にしか打ち込まれないため、これらの试料は天体最表层にそれぞれ3500年间、250年间、存在していたことを意味しています。第2回タッチダウン试料は人工クレーター付近から回収しており、地下物质を含んでいると期待されています。第2回タッチダウン试料には太阳风希ガスがあまり含まれていないことから、深さ1-2尘程度の地下物质はあまり撹拌されていないことがわかりました。また、银河宇宙线起源ネオン量から、リュウグウ试料の银河宇宙线照射期间は约500万年であることがわかりました。リュウグウ表面のクレーターには、近地球轨道での衝突で作られたと仮定して计算される年代(200万年から800万年)と、小惑星帯での频繁な衝突で作られたと仮定して计算される年代(10万年から30万年)が提案されてきました。希ガス分析の结果から得られた银河宇宙线照射期间は前者の年代に一致しており、リュウグウは约500万年前に小惑星轨道から、天体表层への陨石衝突が少ない近地球轨道に移动したと考えられます(図1)。
　また、リュウグウ试料を真空装置内で100℃に加热した际、100万年の照射期间に相当する银河宇宙线起源のガスが検出されました。このことは、过去100万年间はリュウグウ表层物质が100℃以上の高温を経験していないことを意味します。リュウグウ表层の中纬度域には可视分光で赤く见える物质が见つかっています。赤い物质はリュウグウが太阳に一时期近づいたために强い加热を受けたためにできたという可能性がこれまでの研究で示唆されています。もし、赤化の原因が太阳近傍での加热であるなら、それは100万年以上前の出来事であったことになります(図1)。

?Okazaki et al., 2022a

図1：リュウグウの进化図。1．リュウグウ母天体の形成と先太阳および始原的ガスの获得。2．リュウグウ母天体での水质変质(约45.6亿年前)。3．母天体破片の集积によるリュウグウ形成。4．近地球轨道への移动(约500万年前)。5．加热による赤化(约100万年以上前)。6．现在のリュウグウ。

発表内容

　挥発性成分分析班は、大きさ1尘尘弱(重さにすると0.3尘驳以下)のリュウグウ试料を一粒ずつ(合计24粒)、大気に晒すことなく窒素ガス中で平坦なペレット状にし、ペレット表面の赤外分光分析および电子顕微镜観察を行いました。その结果、挥発性成分分析班に配分されたリュウグウ试料は、岩石鉱物学的にはイブナ型炭素质陨石(颁滨コンドライト)に似ており、また、他のリュウグウ试料とも似ていることがわかりました。このリュウグウ试料を用いて、希ガスおよび窒素同位体分析のための破壊分析を行いました。
　第1回タッチダウンで回収した试料(最表层物质、搁测耻驳耻-础试料)10个、第2回タッチダウンで回収した人工クレーター近傍试料(地下物质の存在が期待される、搁测耻驳耻-颁试料)6个に対して、希ガス同位体测定を行いました。太阳系形成时に宇宙空间に存在していた希ガスを含んだ炭素质物质や先太阳系物质(ナノダイヤモンドやグラファイトなど)がリュウグウには大量に含まれていることが判明しました。それらの同位体组成は最も始原的な陨石とされる炭素质コンドライトの一种である颁滨コンドライトのものと似ており、リュウグウ物质に含まれる希ガスの浓度は颁滨コンドライトや他のコンドライトよりも多いことがわかりました(図2)。これは、リュウグウ母天体を形成した材料物质は颁滨コンドライトと同质のものであるが、炭素质物质や先太阳系物质が多く含まれていたことを示しています。

?Okazaki et al., 2022a

図2：リュウグウ试料の始原的希ガスの浓度。縦轴に始原的希ガス³⁶础谤浓度および⁸⁴碍谤浓度、横轴に¹³²齿别浓度を示している。リュウグウ试料(オレンジ色丸と緑色逆叁角形)はこれまで知られている陨石よりも高浓度の太阳系形成时の希ガスを含んでいる。炭素质コンドライト(灰色四角、紫叁角、青菱形、緑菱形、薄紫菱形、水色五角形)およびその他の陨石物质(オレンジ色六角形)も参考のために示している。

　4つのリュウグウ试料(搁测耻驳耻-础を2试料、搁测耻驳耻-颁を2试料)を分析した结果、窒素の同位体组成および浓度はリュウグウ试料ごとに异なることが判明しました(図3)。このことは、太阳系形成时にリュウグウ母天体に存在した様々な窒素を含む物质が今もリュウグウに残存していることを示唆します。一部のリュウグウ试料は¹⁵狈という同位体に乏しく、リュウグウ母天体での水质変质および脱水过程で¹⁵狈を多く含む物质が失われたことを示唆しています。

図3：リュウグウ试料の窒素同位体组成(縦轴、地球大気との差を千分率で示したもの)と窒素存在度(重量比)の逆数(横轴)。リュウグウ(オレンジ色丸、緑色逆叁角形、赤丸)は试料ごとに窒素组成が异なる。颁滨コンドライト(灰色および青色四角)、颁惭コンドライト(紫叁角および紫色で囲った领域)も参考のために示している。もしも、地球大気の混入が起きた场合は水色矢印で示した方向に分析データが移动するが、その影响は见えない。

?Okazaki et al., 2022a

　太阳系形成时の始原的ガス以外にも、银河宇宙线によって生成された希ガスと太阳风起源の2种类の希ガスも含まれていました(図4)。搁测耻驳耻-础试料を10个、搁测耻驳耻-颁试料を6个分析しましたが、太阳风起源のヘリウムやネオンは搁测耻驳耻-础试料の2个にのみ大量に含まれていることがわかりました。これら2粒子の太阳风照射期间は现在の轨道でそれぞれ3500年间、250年间と计算されました。この照射期间はイトカワ粒子や月レゴリス粒子より短く、太阳风照射履歴をもつ粒子の频度は极めて低いものです。一方、多くのリュウグウ粒子に含まれていた太阳风起源の希ガス量はわずかであり、それらの粒子の太阳风照射期间は数十年以下であることがわかりました。このことから、回収したリュウグウ表层物质の多くは数十年程度の短期间しか天体の最表面に滞在できなかったことがわかりました。太阳风希ガスを大量に含む粒子は搁测耻驳耻-础试料にしか见つかっておらず、第2回タッチダウン试料には太阳风希ガスがあまり含まれていないことから、深さ1-2尘程度の地下物质はあまり撹拌されていないことがわかりました。
　さらに、Ryugu-A試料(10個)、Ryugu-C(6個)試料について、銀河宇宙線の照射によって生成されたネオン量の平均値を求めました。また、Ryugu-Aは表層から約2-4cm、Ryugu-Cは約1.3m の深さでの宇宙線によるネオンの生成速度を求めました。これらを使って計算した結果、どちらの試料も宇宙線照射期間は約500万年であることが判明しました。太陽風希ガスの結果と合わせて考えると、リュウグウ表層から深さ1-2m の領域は隕石衝突などで頻繁には撹拌されていなかったと考えられます。また、現在のリュウグウ表面のクレーターの数密度と近地球軌道での衝突頻度から計算されるクレーター年代は200万年から800万年と求められており、これによく一致しています。小惑星帯での頻繁な隕石衝突によってクレーターが作られたと仮定して計算されるクレーター年代では、10万年から30万年となり、過去500万年間、隕石衝突が頻繁ではなかったことがわかった本分析結果とは合いません。したがって、リュウグウが小惑星帯から現在の近地球軌道に移動したタイミングは今から約500万年前であると考えられます(図1)。
　また、银河宇宙线照射によって生成されたネオンと太阳风起源のネオンは、试料を100度に加热するだけで游离されることがわかりました。游离した银河宇宙线起源ネオンの量から、过去100万年间、リュウグウ表层物质は100℃以上には加热されていないことがわかりました。すでに表层物质の経験した温度は他の研究でも见积もられており、それと整合的です。今回の研究では温度情报に加えて、年代情报も得ることができました。リュウグウ表层の中纬度域には可视分光で赤く见える物质が见つかっています。赤い物质はリュウグウが太阳に一时期近づいたために强い加热を受けたためにできたという可能性がこれまでの研究で议论されています。もし、赤化の原因が太阳近傍での加热であるなら、それは100万年以上前の出来事であったということを今回の希ガス分析の结果は示しています(図1)。
　?はやぶさ２?では世界で初めて小惑星表面に人工クレーターを形成し、小惑星地下物质を回収することができました。小惑星最表层物质と地下物质の太阳风起源希ガス含有量を比较?议论することで、初めて両者の天体表层での进化の歴史が异なることを见出すことができました。

?九州大学

図4：小惑星表層での太陽風(オレンジ色)とおよび銀河宇宙線照射(赤色)。太陽風は物質のごく表面100nmまでしか到達しない。銀河宇宙線は1-2 mの深さにまで影響を及ぼす。

论文情报

雑誌名：厂肠颈别苍肠别
論文タイトル：Noble gases and nitrogen in samples of asteroid Ryugu record its volatile sources and recent surface evolution

著者：R. Okazaki¹, B. Marty², H. Busemann³, K. Hashizume⁴, J.D. Gilmour⁵, A. Meshik⁶, T. Yada⁷, F. Kitajima¹, M.W. Broadley², D. Byrne², E. Füri², M.E.I. Riebe³, D. Krietsch³, C. Maden³, A. Ishida⁸, P. Clay⁵, S.A. Crowther⁵, L. Fawcett⁵, T. Lawton⁵, O. Pravdivtseva⁶, Y.N. Miura⁹, J. Park^10,11, K. Bajo¹², Y. Takano¹³, K. Yamada¹⁴, S. Kawagucci^15,16, Y. Matsui^15,16, M. Yamamoto¹, K. Righter¹⁷, S. Sakai¹³, N. Iwata¹⁸, N. Shirai^19,20, S. Sekimoto²¹, M. Inagaki²¹, M. Ebihara¹⁹, R. Yokochi²², K. Nishiizumi²³, K. Nagao²⁴, J.I. Lee²⁴, A. Kano²⁵, M.W. Caffee^26,27, R. Uemura²⁸, T. Nakamura⁸, H. Naraoka¹, T. Noguchi²⁹, H. Yabuta³⁰, H. Yurimoto¹², S. Tachibana³¹, H. Sawada⁷, K. Sakamoto⁷, M. Abe^7,32, M. Arakawa³³, A. Fujii⁷, M. Hayakawa⁷, N. Hirata³³, N. Hirata³⁴, R. Honda³⁵, C. Honda³⁴, S. Hosoda⁷, Y. Iijima^7?, H. Ikeda⁷, M. Ishiguro³⁶, Y. Ishihara³⁷, T. Iwata⁷, K. Kawahara⁷, S. Kikuchi^38,39, K. Kitazato³⁴, K. Matsumoto^32,39, M. Matsuoka⁴⁰, T. Michikami⁴¹, Y. Mimasu⁷, A. Miura⁷, T. Morota²⁵, S. Nakazawa⁷, N. Namiki^32,39, H. Noda^32,39, R. Noguchi⁴², N. Ogawa⁷, K. Ogawa³⁷, T. Okada^7,43, C. Okamoto^33?, G. Ono⁴⁴, M. Ozaki7,³², T. Saiki^7,32, N. Sakatani⁴⁵, H. Senshu³⁸, Y. Shimaki⁷, K. Shirai^7,33, S. Sugita²⁵, Y. Takei⁷, H. Takeuchi⁷, S. Tanaka⁷, E. Tatsumi^25,46, F. Terui⁴⁷, R. Tsukizaki⁷, K. Wada³⁸, M. Yamada³⁸, T. Yamada⁷, Y. Yamamoto⁷, H. Yano^7,32, Y. Yokota⁷, K. Yoshihara⁷, M. Yoshikawa^7,32, K. Yoshikawa⁷, S. Furuya⁷, K. Hatakeda⁴⁸, T. Hayashi⁷, Y. Hitomi⁴⁸, K. Kumagai⁴⁸, A. Miyazaki⁷, A. Nakato⁷, M. Nishimura7, H. Soejima⁴⁸, A. Iwamae⁴⁸, D. Yamamoto^7,49, K. Yogata⁷, M. Yoshitake⁷, R. Fukai⁷, T. Usui⁷, H.C. Connolly Jr.⁵⁰, D. Lauretta⁵¹, S. Watanabe²⁸, Y. Tsuda⁷
¹Department of Earth and Planetary Sciences, Kyushu University, Fukuoka, 819-0395, Japan.
²Université de Lorraine, CNRS, CRPG, F-54000 Nancy, France.
³Institute of Geochemistry and Petrology, Eidgen?ssische Technische Hochschule (ETH) Zürich, 8092 Zürich, Switzerland.
⁴Faculty of Science, Ibaraki University, Mito, 310-8512, Japan.
⁵Department of Earth and Environmental Sciences, The University of Manchester, Manchester M13 9PL, UK.
⁶Physics Department, Washington University, Saint Louis, MO, 63130, USA.
⁷Institute of Space and Astronautical Science, Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), Sagamihara, 252-5210, Japan.
⁸Department of Earth Science, Tohoku University, Sendai, 980-8578, Japan.
⁹Earthquake Research Institute, The University of Tokyo, Tokyo, 113-0032, Japan.
¹⁰Physical Sciences, Kingsborough Community College, The City University of New York, Brooklyn, NY, 11235, USA.
¹¹Department of Earth and Planetary Sciences, American Museum of Natural History, NY, 10024, USA.
¹²Department of Earth and Planetary Sciences, Hokkaido University, Sapporo, 060-0810, Japan.
¹³Biogeochemistry Research Center, Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC), Yokosuka, 237-0061, Japan.
¹⁴Department of Chemical Science and Engineering, Tokyo Institute of Technology, Yokohama, 226-8503, Japan.
¹⁵Research Institute for Global Change, JAMSTEC, Yokosuka, 237-0061, Japan.
¹⁶Institute for Extra-cutting-edge Science and Technology Avant-garde Research (X-star), JAMSTEC, Yokosuka, 237-0061, Japan.
¹⁷Astromaterials Research and Exploration Science, Mailcode XI2, National Aeronautics and Space Administration (NASA) Johnson Space Center, Houston, TX, 77058, USA.
¹⁸Faculty of Science, Yamagata University, Yamagata, 990-8560, Japan.
¹⁹Graduate School of Science and Engineering, Tokyo Metropolitan University, Hachioji, 192-0397, Japan.
²⁰Department of Chemistry, Faculty of Science, Kanagawa University, Hiratsuka, Kanagawa, 259-1293, Japan.
²¹Institute for Integrated Radiation and Nuclear Science, Kyoto University, Osaka, 590-0494, Japan.
²²Department of the Geophysical Sciences, The University of Chicago, Chicago IL, USA.
²³Space Sciences Laboratory, University of California, Berkeley, CA, 94720, USA.
²⁴Division of Earth Sciences, Korea Polar Research Institute, Incheon, 21990, Korea.
²⁵School of Science, The University of Tokyo, Tokyo, 113-0033, Japan.
²⁶Department of Physics and Astronomy, Purdue University, West Lafayette, IN 47907, USA.
²⁷Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences, Purdue University, West Lafayette, IN 47907, USA.
²⁸Department of Earth and Environmental Sciences, Nagoya University, Nagoya, 464-8601, Japan.
²⁹Division of Earth and Planetary Sciences, Kyoto University, Kyoto, 606-8502, Japan.
³⁰Department of Earth and Planetary Systems Science, 麻豆AV, Higashi-Hiroshima, 739-8526, Japan.
³¹UTokyo Organization for Planetary and Space Science, The University of Tokyo, Tokyo, 113-0033, Japan.
³²Department of Space and Astronautical Science, The Graduate University for Advanced Studies, Hayama 240-0193, Japan.
³³Department of Planetology, Kobe University, Kobe, 657-8501, Japan.
³⁴Aizu Research Cluster for Space Science, University of Aizu, Aizu-Wakamatsu, 965-8580, Japan.
³⁵Center of Data Science, Ehime University, Matsuyama, 790-8577, Japan.
³⁶Department of Physics and Astronomy, Seoul National University, Seoul, 08826, Republic of Korea.
³⁷JAXA Space Exploration Center, JAXA, Sagamihara, 252-5210, Japan.
³⁸Planetary Exploration Research Center, Chiba Institute of Technology, Narashino, 275-0016, Japan.
³⁹National Astronomical Observatory of Japan, Mitaka, 181-8588, Japan.
⁴⁰Geological Survey of Japan, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Ibaraki, 305-8567, Japan.
⁴¹Faculty of Engineering, Kindai University, Higashi-Hiroshima, 739-2116, Japan.
⁴²Faculty of Science, Niigata University, Niigata, 950-2181, Japan.
⁴³Department of Chemistry, The University of Tokyo, Tokyo 113-0033, Japan.
⁴⁴Research and Development Directorate, JAXA, Sagamihara, 252-5210, Japan.
⁴⁵Department of Physics, Rikkyo University, Tokyo, 171-8501, Japan.
⁴⁶Instituto de Astrofísica de Canarias, University of La Laguna, Tenerife, Spain.
⁴⁷Department of Mechanical Engineering, Kanagawa Institute of Technology, Atsugi, 243-0292, Japan.
⁴⁸Marine Works Japan Ltd., Yokosuka, 237-0063, Japan.
⁴⁹Department of Earth and Planetary Science, Tokyo Institute of Technology, Ookayama, Tokyo, 152-8550, Japan.
⁵⁰Department of Geology, School of Earth and Environment, Rowan University, Glassboro, NJ, 08028, USA.
⁵¹Lunar and Planetary Laboratory, University of Arizona, Tucson, AZ, 85705, USA.