270

日本惑星科学会誌 Vol.16.No.4,2007

特集「スターダスト探査が解き明かす原始太陽系の姿」

スターダスト探査が解き明かす
原始太陽系の姿
三河内 岳

1（要旨）スターダスト探査は，ヴィルト２彗星から放出された塵試料を地球に持ち帰った，NASAによるサンプルリターンミッションである．試料の分析には，日本を初めとする多くの国の研究者が参加した．長年にわたり研究されてきた塵試料前処理法の開発，室内実験，地上汚染対策が基盤となり，６つの初期分析チーム（化学組成・赤外分光・鉱物岩石・同位体・有機物・衝突クレーター）が協調して，彗星塵に固有の成分を検出することに成功した．その結果，原始太陽系星雲の太陽近傍で形成されたケイ酸塩鉱物などの高温物質が，Ｘウィンドにより原始太陽系円盤外縁部まで運ばれ，極低温環境を起源とする有機物などの成分と混合するような大規模な物質移動が原始太陽系星雲の形成初期に起こったことを支持する証拠が得られた．

「１粒１億円」．このフレーズは後の中村智樹氏らののNASAジョンソン宇宙センターに送られた．エアロ論文 [1] にも登場するが，低コストとは言え約２億ドジェル中の塵試料は，各分析に適した様々な試料調整ルのミッションであったスターダスト探査がいかに貴が施された後，速やかに世界中の初期分析チームの研重な地球外試料を持ち帰ったかを端的に表している．

究者に分配され，約半年間超にわたり集中的に分析がスターダスト探査は，NASAが実施した彗星塵のサン行なわれたのである [4]．そのメンバーの数はおよそプルリターンミッションである [2]．実際には，優に200名近くにも上る．これは世界９カ国100機関以上に１万個を越える数の塵の捕獲に成功したので単価としわたる人数であるが，この中に日本人は17名含まれてては下がる計算になるが，その価値は決して下がるもいる [4]．全体の割合としては，１割にも満たないが，のではない．これまでに，地球外の天体からサンプルこの数字以上に，日本人の研究者が果たした役割は大リターンされていたのはアポロ・ルナ探査による月試

きい．初期分析は，｢化学組成分析｣，「赤外分光分析」，料だけであったが，人類は実に40年ぶりに新たな天体「鉱物・岩石学分析」，「同位体分析」，「有機物分析」，「衝の試料を取得した．しかも，それは太陽系を作ったと突クレーター解析」の６つのサブチームに分かれて行考えられる約46億年前当時の原材料を冷凍保存した状

なわれた．この中で，日本人研究者はすべてのチーム態であることが期待される試料だったのである．に名前を連ねている．特にNASAジョンソン宇宙セン

1999年に打ち上げられたスターダスト探査機は，ターの中村圭子氏はサンプル回収から試料準備，配分，2004年１月にヴィルト２彗星の核までわずか230キロ分析まですべてに関わっており，今回のスターダスト程まで接近し，彗星のコマを構成する塵をシリカエ探査では重要な役割を演じた．本特集では，この６つアロジェルと呼ばれる極低密度の物質で採集した [3]．のサブチームによる初期分析結果をなるべく網羅する

その後，エアロジェルを格納したカプセルは，2006年ように７編の論文の掲載を企画した．

１月に無事に地球に帰還し，テキサス州ヒューストン
1. 東京大学大学院理学系研究科

彗星塵は，エアロジェルに捕獲された後に衝突トラックに沿って多数に分かれている．エアロジェル中にスターダスト探査が解き明かす原始太陽系の姿／三河内

271

存在する個々の塵粒子は最大でもせいぜい30ミクロン

晶質の塵は，主にカンラン石，輝石，鉄ニッケル硫化の大きさしかないため，これらの塵粒子をハンドルし物，鉄ニッケル金属からなることが分かった [10]．こて分析するのは容易なことではない [1]．実際の試料

れらの成分は始原的な隕石に見られるコンドルールと分析は，試料の前処理があって初めて可能となる．中

類似しており，放射光による分析結果と一致している

村圭子氏らの論文 [5] では，NASAジョンソン宇宙セ[1]．カンラン石と輝石は不均質な化学組成を持ってンターにあるスターダストのラボで，エアロジェルにおり，最も未分化なコンドライト隕石や無水の惑星間埋まった塵を特殊な装置でトラックごと取り出してキ塵に近いことから，ヴィルト２彗星の塵は，非晶質のーストーンを作製する方法や，エアロジェルからいか星間物質のようなものではなく，コンドライトに似たにして塵を取り出し，分析用試料とするかの技術が紹成因であることが指摘されている．これらの岩石・鉱介されている．また，微小量の試料から最大限の結果物学的分析では，これまでに多数の塵が分析されていを引き出すため，塵試料の詳しいカタログ作りにも重るが，水質変成によって形成される蛇紋石などの含水点が置かれた点が説明されている．

鉱物は見つかっていない．

近年の微小領域の分析技術は革新的に進展しており，放射光はまた，有機物の構造分析にも適用された．

わずか１ミクロンの塵１粒からでも非常に多くの物

薮田ひかる氏らは，軟X線を用いた走査型透過X線顕理・化学的情報を引き出すことができる [6]．放射光微鏡（STXM）とX線吸収端近傍構造解析（XANES）を使った分析は，彗星塵のような微小量の試料の分析により，ヴィルト２彗星塵試料に含まれる有機物の微に絶大な威力を発揮する．国内には，高エネルギー加小領域における官能基の組成を定性・定量的に評価し速器研究機構とSPring-8という２つの大きな放射光

た [9]．検出された有機物は主に窒素・酸素を含む種々実験施設が存在し，共に今回の彗星塵試料の分析に使の官能基あるいは脂肪族炭素から構成され芳香族炭素われた．土`山明氏らと中村智樹氏らの論文では，放の割合は低いことが明らかとなった．これらの結果か

射光による蛍光X線分析とトモグラフィー分析で，衝らは，彗星塵中の有機物の構造が炭素質コンドライト

突トラックの３次元構造と個々の彗星塵粒子の元素組中の有機物に比べて不均一であることが示された．ま成および分布を調べた結果がまとめられている [1, 7]．

た，有機物分析サブチームで実施された諸分析（ラマ様々な形状をした衝突トラックの中でも特徴的なのは，ン，赤外，個別成分分析等）も併せて紹介されており，突入口付近にバルブ状の部分があり，その先に細いト複数の結果が共に，始原的な地球外有機物の化学特徴ラックが続いているタイプであるが，本分析から，こを反映していることが理解できる．のバルブ状の部分は有機物や氷などの揮発性物質に彗星塵試料の同位体組成の分析は，無機物・有機物よって形成されたことが示唆されており興味深い [7]．にかかわらず，ヴィルト２彗星成分の起源を探る上でこれは，彗星塵中の有機物の分析結果や室内衝撃実験非常に重要である．塵試料の同位体分析には，サブミの結果と実際に一致するようである [8, 9]．また，放クロン領域の同位体比測定ができる二次イオン質量分

射光を用いたＸ線回折およびトモグラフィー分析の結析（SIMS）およびNanoSIMSが用いられた．伊藤元

果では，結晶質の彗星塵が多数発見されており，ケイ雄氏らによるNanoSIMSを使った塵試料の同位体マ酸塩鉱物と金属鉄粒子が密に詰まった構造をしている

ッピングによると，彗星塵を構成する個々の鉱物の酸ことが明らかになっている [1]．特にX線回折につい素同位体組成は，これまでに得られている太陽系内物ては，初期分析チームでは日本人研究者しか行なって質と非常に近いと報告されている [11]．太陽系外起源おらず，塵の非破壊分析に非常に有用であった．留岡のプレソーラー粒子は，これまでのところ１つしか発和重氏らが透過型電子顕微鏡で分析した結果では，結見されておらず，この粒子は赤色巨星由来のものと解272

日本惑星科学会誌 Vol.16.No.4,2007

釈されている．有機物の水素，炭素，窒素同位体分析

まれている．このような結果を整合的に説明するには，では，水素と窒素の同位体異常が検出され，太陽系形Xウインドモデルによる解釈が有力と考えられる [12]．

成以前の冷たい分子雲ガスの情報を保持しているもの

このモデルでは，原始太陽系星雲の太陽近傍で形成が含まれている可能性が指摘されている．

されたケイ酸塩鉱物のような高温物質が，Ｘウィン以上のように，ヴィルト２彗星塵に含まれる諸成分ドにより原始太陽系円盤外縁部まで運ばれ星間分子について多くの結果が得られた．併せて，これらの分雲起源の有機物と混合するプロセスを説明している．

析結果を正当に評価するには彗星塵がエアロジェルにスターダスト探査により，原始太陽系星雲の形成初捕獲された際に起こりうる成分の変成やコンタミネー

期にそのような大規模な物質移動があったことを示

ションについての室内模擬実験による検証が必要となす物的証拠が初めて見つかったと言えよう．

る．実際に，捕獲時の熱の影響でエアロジェルのシリまた，スターダスト探査では彗星塵の捕獲に先立カとコンタミネーションを起こしている塵は相当数にって，星間塵の採集も行った．星間塵は，そのほと上る [1, 10]．奥平恭子氏らはケイ酸塩鉱物粒子などをんどがサブミクロンの大きさと彗星塵よりも小さい加速器でエアロジェルに撃ち込み，回収試料の分析か上に，採集された数もはるかに少なく，エアロジェら変成の度合いの評価を行っている [8]．蛇紋石などル中から探し出すのが非常に難しい．そのため，一の層状ケイ酸塩鉱物を用いた実験結果によると，彗星つのラボでその作業を行うには膨大な時間を消費し塵の捕獲時の条件と同じ毎秒6キロで粒子試料を撃ちてしまう．そこで，インターネット上に“バーチャ込んだ場合でも，含水鉱物は完全には失われないで残ル顕微鏡”を設置したStardust@Homeでは，世界中っていたことから，ヴィルト２彗星の塵には層状ケイの誰でも個々のコンピュータから星間塵探しに協力酸塩は元よりほとんど含まれていなかったようである．

できるユニークな方法を実施している [5]．これらのまた，有機物はこのような熱変成の影響に敏感であり，試料も近い将来に分析に回される予定で，その成果衝撃実験でも有機物の量的な変成（消失）の可能性がもこれから大いに期待される．

指摘されている．しかし，試料分析で検出された有機彗星の科学は，ハレー彗星の探査を契機に大きく物の分子構造や同位体組成には熱変成の影響を明示す飛躍した．近年では，ディープインパクトによるテる証拠は検出されていないため，塵試料中に残存した

ンペル１彗星の探査で，物質科学の側面に大きな発有機物については，激しい変成は免れたのかもしれな展の機会が訪れた [13]．そしてスターダスト探査では，

い [9]．

ヴィルト２彗星の塵を地上に持ち帰り，最先端の微このような多種の分析結果からは，ヴィルト２彗星

小分析技術を適用したことによって彗星の物質科学

塵には，高温での生成物であるカンラン石，輝石などを新たな次元に引き上げた．テンペル１彗星とヴィのケイ酸塩鉱物と低温での生成物である有機物などのルト２彗星では，含水鉱物の存在の有無に大きな違両方が含まれていることが分かった．特に炭素質コンいが見出されたように，今後，物質科学的方法をよ

ドライトに含まれる難揮発性包有物（CAI）と類似しり一層活用し，彗星物質の多様性を解き明かしていた鉱物が見つかり，同位体組成にもその傾向が見られくことが求められる．

るのは，ヴィルト２彗星に原始太陽近傍の高温環境（＞筆者は，学部時代に彗星の物質科学がやりたいと2000K）で形成された物質が含まれている強い証拠で思い，そのようなテーマで卒業論文ができないかとある [4, 10, 11]．また，ケイ酸塩鉱物のほとんどが太考えたりしたが，当時の先生方には「荒唐無稽」と陽系の同位体組成を持っており，有機物に関しては，一蹴されてしまった．それから（わずか！）15年ほ

極低温（～ 20K）の星間分子雲を起源とするものが含どの時を経て，実際に自分の手で，本物の彗星の塵スターダスト探査が解き明かす原始太陽系の姿／三河内273を分析することができることを思うと隔世の感がある．

[4] Brownlee, D. E. et al., 2006, Science 314, 1711.

しかし，この15年の間で，惑星間塵や始原的な隕石の[5] 中村圭子, ゾレンスキー・マイケル, 2007, 遊星人分析，原始惑星系円盤についての理論研究や赤外観測などにより，原始太陽系星雲の物質科学は飛躍的に進展した．このような学問的背景を経て，今の時代に本号.
[6] Zolensky, M. E. et al., 2000, Meteorit. Planet.
Sci. 35, 9.

彗星塵の分析ができるのは千載一遇のタイミングであ[7] 土`山明, 中村智樹, 2007, 遊星人 本号.

ったのではないかと感じる．スターダスト探査に続き，[8] 奥平恭子ほか, 2007, 遊星人 本号.

今後は日本が実施するはやぶさの小惑星サンプル地球[9] 薮田ひかる, スターダスト1次分析有機物チーム,帰還をはじめ，いくつかの天体からのサンプルリター

2007, 遊星人 本号.

ンミッションが予定されている．ここで紹介したスタ[10] 留岡和重ほか, 2007, 遊星人 本号.

ーダスト探査を契機にますます太陽系物質の科学が進[11] 伊藤元雄, メッセンジャー・スコット，2007，遊展して行くことを願ってやまない．

星人, 本号.

本特集のきっかけとなったのは，地球惑星科学連合[12] Shu, F. H. et al., 1997, Science 277, 1475.

2007年大会での「始原惑星物質研究の新展開：スター[13] Lisse, C. M. et al., 2006, Science 313, 635.

ダスト＋α」特別セッションの開催である．筆者と共同でコンビーナーとして協力して頂いた中村智樹准教授（九州大），圡山明教授（大阪大），向井正教授（神戸大）の３名と遊星人での本特集を提案して頂いた田中秀和准教授（北海道大）には深く感謝する．また，このセッションにアメリカより伊藤元雄博士，中村圭子博士（以上，NASAジョンソン宇宙センター），薮田ひかる博士（カーネギー研究所）の３名が参加・発表してくれた．これら３名の方は，本特集でも快く原稿執筆を引き受けてくれた．あわせて感謝したい．特に薮田氏は，有益な査読により的確に原稿を改訂して頂いた．また，本特集に執筆を快諾してくれた留岡和重教授（神戸大），奥平恭子博士（宇宙研）にも感謝する次第である．最後に，スターダスト探査への参加を誘ってくれたMichael Zolensky博士（NASA ジョンソン宇宙センター）にも御礼を申し上げたい．

参考文献[1] 中村智樹ほか，2007，遊星人 本号.
[2] Stardust Homepage: http://stardust.jpl.nasa.
gov/home/index.html[3] Brownlee, D. E. et al., 2004, Science 304, 1764.