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日本惑星科学会誌 Vol.16.No.4,2007

スターダスト～ミクロの目で見る彗星の姿～
回収から一次分析まで
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中村圭子 ，マイケル・ゾレンスキー ，スターダスト一次分析チーム（要旨）彗星には惑星系誕生・生命の起源にまつわる謎を解く鍵が隠されている．その鍵を我々はついに手に入れた－スターダストで捕獲された彗星塵は平均5μmかつシリカエアロジェルに包埋されているため取り扱いが極めて困難で，マイクロサンプルハンドリングに熟達していない限り貴重な地球外試料を紛失してしまい，研究成果を得るまでに至らない．しかしながら，的確な試料作成を経て彗星塵が各研究機関に提供されれば，近年の微小領域分析技術の飛躍的な発達によりバルク化学組成，鉱物，有機分析，同位体分析に至るまでのデータを彗星塵ひと粒から得ることができる．本稿ではスターダスト彗星塵・星間塵の回収，キュレーション作業を解説する．

１．はじめに形にしたものだとお考え頂きたい．また液体に触れると小さな高野豆腐のかけらのように白く縮んでし

NASAの彗星探査機スターダストは，打ち上げからまう．真冬のユタの砂漠でカプセルが風雨・吹雪に４年後の2004年1月，ヴィルト２彗星（81P/Wild2）

さらされ，カプセル内部に水分が入り込みエアロジに接近し彗星塵を回収．2006年1月15日，彗星試料カェルを破壊してしまうことが心配されたが，カプセプセルはアメリカ・ユタ州ソルトレイク市郊外にある

ル帰還の際は，ユタの夜空は晴れ上がりカプセルは空軍基地に無事帰還した．これにより人類は月以遠か見事な火球となって我々の眼を楽しませてくれた．

ら初めて地球外固体物質を自らの手で手に入れた．

スターダスト帰還二日後，カプセルはテキサス州ヒューストンのNASAジョンソン宇宙センターに空２．エアロジェルによる彗星塵捕獲輸された．スターダスト試料専用の無塵室内で，彗星塵捕獲トレイを保護しているキャニスターは開封

スターダスト探査機（図１）からテニスラケットのされ，予想を上回る数の彗星塵衝突・通過痕（彗星ように突き出ている彗星塵捕獲トレイには２ｘ４cm，深さ３cmのシリカエアロジェルが132個並んでおり，秒速６km以上という高速で飛んでくる彗星塵がこの特殊なスポンジ状タイルに突き刺さり回収する仕組みになっている．エアロジェルタイルは彗星塵捕獲には最適な物質なのだが，鋭いカミソリ刃の先端で押さえつけただけで粉々に砕け散ってしまうほど脆い．多孔質で99.8％が空隙，つまりほとんど重さのない煙を固1. NASA ジョンソン宇宙センター・地球外物質探査科学部
門

図 1： ヴィルト２彗星に接近し彗星塵を捕獲するスターダスト探査機．想像図（NASA/JPL）．

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図 3： レベル３フォト・ドキュメンテーション．エアロジェ
ルタイル側面から撮影することで，トラックの形状，深さ，位置，彗星塵ターミナル粒子の個数・大きさを記載できる（NASA/JSC）．

エアロジェルタイルは側面と裏面の一部をアルミホイルで覆われており，背面からアルミホイルを引き抜く形で，１つずつ慎重にトレイから取り外される．
2007年9月現在まででトレイから取り出されたエアロジェルタイルは30個．ジョンソン宇宙センターに万が一のことがあった場合に備えて，取り出されたエアロジェルタイルのうち10個はニューメキシコ州ホワイト
図 2： レベル１フォト・ドキュメンテーション．キャニス
ター開封直後の状態をスティルカメラで撮影．図下：
肉眼でも確認できる大きさの彗星塵トラック（直径５ｍｍ以上）が 11 個確認できた（NASA/JSC）．

サンズ空軍基地内の核シェルター内で，その他の世界的遺産ともいえる地球外物質とともに大切に保管されている．

塵トラック）が肉眼でも確認できたのである（図２）．

トレイ表面に露出しているアルミホイル（幅３mm，驚くべきことにエアロジェルタイルは探査機打ち上げ長さ３cmまたは1.5cm）にも彗星塵の衝突クレーター時のロケットの振動，さらには試料カプセルの地上落多数見つかっている [1]．これらクレーターの多くは下時の衝撃にも耐え，１つも脱落することなく，ほぼ直径数十μｍと小ぶりだが，クレーター内部には，彗無傷の状態でトレイに収まっていた．また，スターダ星塵物質がこびりついており，酸素16に富むプレソー

ストのエアロジェルの密度は予測されていた彗星塵のラー粒子も検出されている [2]．

速度と大きさに合わせて深部ほど密度が濃くなるように設計されていたため，エアロジェルタイルを貫通し３．彗星塵トラックている彗星塵トラックは一つもなかった．
エアロジェルから彗星塵試料を取り出す前に，高倍

図３は，エアロジェルタイル取出し後，タイル側面率光学顕微鏡を搭載したスキャニング装置を使って４から撮像したもので，３つの彗星塵トラックが確認で段階にわたる詳細な写真撮像・記載解析作業が行われきる．下部２つのバルブ型トラックは，彗星塵がエアた．これらの画像・記載データは，NASAジョンソロジェルとの衝突後，摩擦によって通過経路上に多数ン宇宙センターのスターダスト彗星塵サンプルカタロの細かな彗星塵粒子が剥がれ落ちて，すすけているよグ・ウェブサイト上で誰でも閲覧することができる．

うに見える．その際，彗星塵は摩擦熱によって一気に276

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図 5： クイックストーンシステムで切り出された彗星塵トラック．

３上部のキャロット型トラックは，もともとの彗星塵が細かな粒子の集合体ではなく，小さな一固体だったのであろう．トラック上には彗星物質はあまりみうけられない．

４．彗星塵トラックの切り出し
写真撮影・記載作業が終了すれば，科学分析のために彗星塵をエアロジェルタイルからとりださねばならない．しかし，彗星塵の大きさは平均５μm，彗星塵トラックの長さも平均で300μmと非常に小さい．さらに先にも述べたように，エアロジェルは鋭利なナイフで切ることも研磨することも容易でない．このため，数種類のスターダスト試料用エアロジェル切断装置が新たに開発された．ここではキーストーンシステム
図 4： キーストーンシステム．（a）コンピューター制御された２本のガラス針がエアロジェルに細かい穴を開ける．右側の針がアンダーカット．左がサイドカット．
（b）キーストーン作成後のエアロジェルタイルを上部から見た図．サイドカットが逆コの字を描いている．その左中央部に見えるのが彗星塵トラックの入り口．右側の 2 つの穴にマイクロフォークリフトが差し込まれる．（c）マイクロフォークリフトに載せられたキーストーン．長さ 900μm のトラックが見える．
（カリフォルニア大学バークレー校，NASA/JSC）[3] とクイックストーンシステム [4] を紹介する．
４．１．キーストーンシステム：サブミクロン単位で制御できる「縫わないミシン」だとご想像いただきたい．鋭い硬化ガラス針（先端径１μm）２本がコンピューターで動作をプログラミングされた2台のマイクロマニピュレーターに取り付けられている（図４a）．
それらのガラス針がゆっくりと，しかし次々とミシン過熱され，内部の揮発性物質が蒸発し，エアロジェルの要領で深さ１μmの穴をエアロジェルに開けてゆく．

を膨張させている．その後，最も硬くて大きい粒子（タトラックの深さ・サイズにもよるが，ガラス針がエアーミナル粒子）だけが枝分かれしながらも直進し，つロジェルを５～ 50万回程度叩いた頃には，それらのいに減速して停止する．図３の左側にはそれらの生き無数の小さな穴がトラックの周りに連続的な溝を作り，残り粒子が確認できる（赤点線円）．それに比べ，図トラックを切り出す仕組みになっている（図４b）[3]．

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切り出されたトラックは，マイクロフォークリフトに上）は，手作業で取り出される（図７）．図７b,cは彗載せることにより持ち運ぶことが可能になり（図４c），星塵トラックのターミナル部分（図７aボックス）を放射光を利用したトモグラフィーやバルク組成分析に偏光顕微鏡で撮影・拡大したものである．透過光下でそのまま利用することができる [5]．

は圧縮されたエアロジェルなども確認できるが，反射４．２．クイックストーンシステム：ダイヤモンドクロスポーラー（暗視野）の下では結晶質物質のみが製のマイクロブレードに超音波振動を与えることによ輝いて見える．このようにしてターゲットを絞り，硬り，エアロジェルを押さえつけることなく切断できる化ガラス針で数時間かけて手作業で彗星塵を掘り出す装置である [4]．１つのトラックを切り出すのに数時（図７d）．取り出された彗星塵粒子も，周りにエアロ間から数日かかるキーストーンシステムに比べ，クイジェルがまとわり付いていることがあるが，反射クロックストーンシステムは短時間でトラックを切り出せ

スポーラー下ではサンプルのみが確認できる（図７るため，数mm単位の比較的大きなトラックの切り出e,f）．

しに適している（図５a）．

取り出された彗星塵粒子は，バルク鉱物分析 [8]，顕微赤外分光 [9] などの非破壊分析法で測定されたの５．彗星塵粒子の取り出し

ち，再度スターダストキュレーション施設に返還され，さらに細分されてゆく．

キーストーン・クイックストーンを利用して切り出されたトラック単位のサンプル分析が終了すると，サンプルは一旦スターダストキュレーション施設に返還

６．ウルトラミクロトーム～超膜薄片作成法され，さらなるンプルプロセシングに取り掛かる．

ウルトラミクロトーム法とは，鋭利なダイヤモンドクイックストーンシステムは，エアロジェルに与えるナイフを用いてサンプルを削切し，厚さ40 ～ 200 nm

ダメージもわずかであるため，図６のように大きな彗の超膜薄片を作成する方法である．大きさ10μmの彗星塵トラックの一部を切り出すこともできる．このよ星塵粒子ならば，100枚以上の薄片を作成することがうな多数の彗星塵を含むサンプルは，試料が表面に露可能で，たった一粒の彗星塵試料を複数の研究者に分出していないと測定できない有機分析 [6,7] などの非配することができる．つまり，ウルトラミクロトーム破壊測定施設に送られ，測定後再度キュレーション施法を用いることで，一粒のサブミクロンスケールの彗設に返還される．

星塵試料に複数の分析手法を応用することが可能にな

トラック内部において，実体顕微鏡下でエアロジェるのである．さらには，非破壊法である透過型電子顕ルと分別できる程度の大きさを持つ彗星塵（5μm以微鏡（TEM）を用いて薄片上の全ての物質を結晶構造解析・化学組成分析した後，全く同じ薄片を用いて極微小領域を分析できるイオンプローブ二次イオン質量分析計（NanoSIMSなど）で同位体分析すれば，どの鉱物が同位体異常のキャリアであるかがナノスケールで断定できる [10]．
先の顕微赤外分析で有機物が確認された彗星塵サン
プルは，硫黄に包埋してからウルトラミクロトーム法で薄片にすることにより，エポキシ樹脂による有機汚図 6： クイックストーンシステムでブロック状に切り出された彗星塵トラックの一部．

染の可能性を除去することができる．硫黄は常温で蒸278

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図 7：（a）キーストーンシステムで切り出された彗星塵トラック．（b,c）図７a のボックス部分の拡大．
（d）ターミナル粒子を取り出した際のビデオキャプチャー像．円内は取り出された後の粒子．
（e）
エアロジェルから取り出された後のターミナル粒子．反射クロスポーラー暗視野像．（f）ター
ミナル粒子，透過光明視野像．粒子にまとわり付いているエアロジェルがみえる．

発するため，薄片作成後に残った粒子を取り出し，バルク同位体測定などに応用することもできる [2]．

７．星間塵捕獲トレイ

大きな彗星塵粒子を取り除いたあとのトラックにも，多数の細かな彗星塵粒子が含まれている．また小さす

太陽系は銀河系内部を移動しており，その進行方向ぎて粒子が取り出せないトラックもある．そのような（いて座方向）から星間塵が秒速26 km以上の速さでトラックはキーストーンごと平坦圧縮し，アクリル・太陽系内に流れ込んでいることを，太陽極域探査機ユエポキシなどの樹脂で包埋され，粒子サンプルと同様リシーズが発見した [12]．木星探査機ガリレオもまた，にウルトラミクロトーム法で薄片にすることができる

このintersterllar dust streamの存在を確認している．

[11]．

スターダスト探査機の彗星塵試料捕獲トレイの裏側

トラックを含んでいないエアロジェルももちろん貴には，124個の星間塵捕獲用のエアロジェルタイルが重である．希ガス分析のほかに，有機物分析等のスタ取り付けてある．スターダスト探査機はヴィルト２ンダードとしても用いられる．

彗星に向う旅の途中で合計６ヶ月間，星間塵捕獲トレイを星間塵ストリームにかざした．それにより，45～ 100個の星間塵が捕獲できると計算されている．問スターダスト～ミクロの目で見る彗星の姿～回収から一次分析まで／中村，ゾレンスキー，スターダスト一次分析チーム

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題は，星間塵の大きさが0.001 ～数μmと小さいたされた [6]．有機物の中には絶対零度に近い環境，つめ，形成されるであろうエアロジェル内のトラックもまり低温の星間雲でしか形成され得ない水素・窒素の大きくても数十μm，研究者たちがしらみつぶしに探同位体異常が見られた [2]．これはヴィルト２彗星のしても，一つのトラックを見つけるのに何ヶ月もか中の有機物の中には原始太陽系星雲の源である分子かってしまうかもしれない．そこで考案されたのが雲の情報をとどめているものがあると解釈できる．ヴ

STARDUST@HOMEである．これまでのべ2万4千人

ィルト２彗星は，数十 nｍの細粒の鉱物（最大のものもの ”Duster”と呼ばれる一般市民ボランティアたでも１μm程度）が寄り集まって出来ている．主鉱物

ちが，「バーチャル顕微鏡」を操って，20の星間塵トである輝石・カンラン石の組成をみるとマグネシウム，ラック候補を発見している．バーチャル顕微鏡とは，鉄の含有量に幅広いばらつきがある [14]．これはそれSTARDUST@HOMEウェブサイト上の，仮想顕微鏡らの鉱物が出来上がった原始太陽系星雲ガスの組成ののことである．コンピューターで制御された自動偏光不均一さを意味している．輝石・カンラン石の酸素同2顕微鏡で，480 x 360μm （塩粒と同じくらいの大き位体測定の結果を見てみると，際立って異なる酸素同さ）の範囲をエアロジェルの表面から深さ100μmま位体異常を示さないことから，ヴィルト２彗星はまさでフォーカスを徐々に変えながら40枚撮影する．このしく太陽系に属しているということがわかる．その一連続写真のスタックを動画としてつなぎ合わせ，コン方で，彗星塵の中からは2000℃以上の高温状態つまりピューターのマウスに応じて動画が動くように設定

原始太陽の近傍でないと形成され得ない鉱物（カルシすることで，まるでPCスクリーンを見ながらフォーウム，アルミニウムに富む酸化物）も発見されたのでカスを変化できる仮想顕微鏡が完成する．これまである [14]．これは「Xウィンド」[15] と呼ばれる原子４千万動画が作成され，ダスター達によって調べつく

惑星系円盤の中心星から噴出する超音速の双極流によされた．これは星間塵捕獲トレイ面積の約40％に当たって，中心星近くで出来た固体が，彗星が誕生したカる．現在ジョンソン宇宙センターでは，星間塵捕獲トイパーベルトあたりまで到達したことを裏付ける証拠レイのフライトモデルを用いて，サブミクロンサイズと言える．原始太陽系での予想を超える大規模な物質のトラック切り出し作業の予行演習が行われている．の大循環が起こっていたのだ．これまで彗星は，「低実際に捕獲された星間塵をエアロジェルから取り出し，温物質が寄り集まり，凍って出来た天体」と考えられ初期分析が始まるのは2008年中旬になるであろう．てきたが，少なくともこのヴィルト２彗星に関しては，この定説が完全には当てはまらないことがわかった．

８．彗星塵サンプルの初期分析

詳しくは，本誌に掲載されている初期分析チームメン
バーとして活躍された日本人研究者の皆さんの論文を彗星塵試料分析にあたっては，隕石鉱物学者からご覧頂きたい．

有機化学者まで世界９カ国180人の研究者が招集され，これまで分析された彗星塵は持ち帰られた全試料のスターダストの一次分析が開始された．鉱物・岩石学，0.1％にも満たない．ミクロスケール・ナノスケールで，分光学，バルク組成，有機分析，同位体分析，衝撃物

これからもまだまだ彗星の分析は進んでゆく．どんな

理解析の６つのチームに分かれ，これまで研究上では謎が解明されるのか，これからの彗星塵分析に期待いしのぎを削り合ってきたライバル研究者同士が，あらただきたい．

ゆる手法を駆使し，10μmほどの塵一粒から全ての情報を引き出すこと８ヶ月．徐々に彗星が真の姿を顕した [13]．彗星塵からは数種類の有機物がこれまで検出

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ご自分でエアロジェル内の星間塵トラックを見つけ参考文献たいという方は，今からでもStardust@homeのダスター要員としてサインアップし，バーチャル顕微鏡を1.

Horz, F. et al., 2006, Science 314, 1716.

操ることができる．ダスター同士のBBSでの議論も盛2.

McKeegan, K. D. et al., 2006, Science 314, 1724.

んで，コンテスト形式になっているので星間塵捜査の3.

Westphal, A. J., et al., 2004, Meteorit. & Planet.

中毒になってしまう場合もあるので注意．

Sci. 39, 1375.

http://stardustathome.ssl.berkeley.edu/

4.

Ishii, H. A. and Bradley J. P., 2006, Meteorit. &Planet. Sci. 41, 233.

5.

中村智樹ほか, 2007, 遊星人 本号.

6.

Sandford, S. A. et al., 2006, Science 314, 1720.

7.

Clemett, S. J. et al., 2006, LPSC 38, 1338.

8.

Flynn, G. J. et al., 2006, Science 314, 1731.

9.

Keller, L. P. et al., 2006, Science 314, 1728.

10. 伊藤元雄, メッセンジャー・スコット, 2007, 遊星
人 本号
11. Matrajt, G. and Brownlee D. E., 2006, Meteorit.
& Planet. Sci. 41, 1715.
12. Grün, E. et al., 1993, Nature 362, 428.
13. Brownlee, D. et al., 2006, Science 314, 1711.
14. Zolensky, M. E. et al., 2006, Science 314, 1735.
15. Shu, H. et al., 1996, Science 271, 1545.

参考. スターダストカタログ
レベル１～４のフォト・ドキュメンテーション試料
およびスターダストのサンプル作成に際して撮影された写真・記載はすべてNASAジョンソン宇宙センターのスターダストキュレーション・ウェブサイトにて閲覧・ダウンロードが可能である．エアロジェルタイル別，彗星塵トラック別などの項目に分かれており，カタログとして検索することができる．またスターダスト彗
星塵試料を分析してみたい方にはプロポーザル内容に応じた形状の試料が無償で６ヶ月間提供される．その際の申請方法・ガイドラインなどもサイト内に記載されているので，ご参考いただきたい．
http://curator.jsc.nasa.gov/stardust/