NEWS RELEASE

２０２１．４．２２ ＜計５枚＞

立命館大学
京都大学
東京工業大学
北海道大学
高輝度光科学研究センター

隕石中に閉じ込められた CO 2 に富む液体の水を世界で初めて発見
太陽系形成時に誕生した小天体がその後の木星の軌道変化に伴なって移動した証拠
立 命 館 大 学 総 合 科 学 技 術 研 究 機 構 の土 `山 明 教 授 らの研 究 グループは、炭 素 質 コンドライトと呼 ばれる隕石（サッターズミル隕石： Sutter's Mill）の鉱物の中に、X 線ナノ CT および低温下での透過型電子 顕微 鏡を用いた分析により、鉱 物 中 に閉 じ込められた二酸 化 炭 素 （CO 2 )に富 む液 体の水 （CO 2 に富む流体包有物）を世界で初めて発見 しました。本研究成果は、2021 年 4 月 22 日（木）4 時（日本時間）に米国科学振興協会「Science Advances」に掲載されます。

論 文 名 : Discovery of primitive CO 2 -bearing fluid in an aqueously-altered carbonaceous chondrite
著 者 : 土`山 明（立命館大学 総合科学技術研究機構、中国科学院広州地球化学研究所）、: 三宅 亮、北山 晃（京都大学 理学研究科）、: 奥住 聡（東京工業大学 理学院）、川野 潤（北海道大学 理学研究院）、: 上杉 健太朗、竹内 晃久（高輝度光科学研究センター(JASRI)）、: 中野 司（産業技術総合研究所）、: Michael Zolensky（Astromaterial Research and Exploration Science, NASA JSC ）発表雑誌 : Science Advances
掲載日時 : 2021 年 4 月 22 日（木） 4 時 （日本時間）＜研究成果の概要＞
炭 素 質 コンドライトと呼 ばれる隕 石 （サッターズミル隕 石 ： Sutter's Mill ）の中 に、大 型 放 射 光 施 設
SPring-8 の X 線ナノ CT および低温下での透過型電子顕微鏡を用いた分析により、鉱物中に閉じ込められた二酸化炭素（CO 2 )に富む液体の水（CO 2 に富む流体包有物）を世界で初めて発見しました。この流体包有物は太陽系形成時の CO2 を含む氷に由来すると考えられます。

このような氷は太陽からかなり離れた低温領域（CO 2 が氷として存在できる CO 2 スノーラインの外側）で形成されたもので、この隕石 をもたらした小天体（母 天体）自身もこのような低 温領域で形成されたと考えられます。この領 域 は木星 の形 成 領域 よりも外 側に位置 することから、太陽系 形 成 当時にこの隕 石が木星 の外側 ででき、その後の木 星の軌道 変 化に伴なって現 在 の小惑 星 帯 （木 星 軌 道の内 側にある）に移動したという、最近のダイナミックな太陽系形成モデル（理論）の物質科学的な証拠（エビデンス）であると言えます。
炭 素 質コンドライトは、初代 はやぶさが採 取 したサンプルとは異 なります。一方 、はやぶさ２サンプルは炭 素 質 コンドライトあるいはその類 似 物 と考 えらえており、これから始 まるはやぶさ２サンプルの分 析においても、同様に液体の水が見いだせるかもしれません。

＜研究 の背景＞
太陽系において水は、太陽系の進化や地球の海の形成さらに生命の誕生に重要な関わりを持っています。始原的な隕石である炭素質コンドライトには、炭素質物質（有機物）だけでなく水 も含まれています。しかしこれらの“水”は、鉱物の結晶構造中に水酸基（OH）や水分子（H 2 O）として存在し、液体としての水はこれまで発見されていませんでした。
今回我々は、新しい手法を用いて炭素質コンドライトのひとつであるサッターズミル（Sutter’s Mill）隕石中に、液体の水を探しました。この時着目したのは、方解石（CaCO 3 ）という鉱物です。ほとんどの隕 石 は太 陽 系 初 期 に形 成 された小 惑 星 （隕 石 の母 天 体 ）からやってきたものですが、石 の成 分（鉱物）と共に集積した氷が融けて、水は鉱物と反応し水質変成が起こります。方解石はこの時 に水溶 液から析出したものと考 えられます。方 解石 が成 長するときに取り込んだ当 時 の水 が、方解 石粒子の中に包有物として残っている可能性があるのです。

＜研究 の内容＞
分析では、まず隕石の薄片中に方解石 の粒子 を探しました（図 １A）。このような方解石粒 子を含む 30 ミクロン程度の物体を集束イオンビーム（FIB）と呼ばれる装置を用いて切り出しました。これらの X 線ナノ CT 撮影を、大型放射光施設 SPring-8 *) のビームライン BL47XU において行い、その３次元内部構造を１画素が約 60〜100 nm という超高空間分解能で得ました。これにより、図１B に示したように数ミクロンよりも大きな包有物を方解石中に多数見出すことができました。
これらの包有物は平坦な結晶面をもち、その中に液体が存在していたはずです。しかしながら、この中身をよく調べてみると現在は空隙で、かつては存在していた水が 46 億年という長い間のどこかで逃げてしまったと考えられます。
一方、方解石中には１ミクロンより小 さなナノメートルサイズの包有物（ナノ包有物）が無数に存在していることもわかりました。このような小さな包有物の中身は X 線 CT では調べることができないので、透過型電子顕微鏡（TEM）による観察を行いました（図 1 C）。もしその中に水が入っていると、水は凍るはずです。このようにしてできた氷は結晶なので、電子線回折によって検出できるはずです。
そこで、低 温 ステージを用 いて着 目 したナノ包 有 物 （図 １D）の電 子 線 回 折 図 形 を撮 りました（図 １E,F）。すると、常温（20℃）でみえるホストの方解石結晶の回析スポット（図１F の斑点）に加えて、低温（-100℃）で新たな回析スポット（図１E の黄色の矢印）が出現しました。その位置から、これらの回折スポットは H 2 O の氷ではなく、CO 2 の氷あるいは CO 2 ハイドレート(CO 2 ·5.75H 2 O)と呼ばれる氷であることがわかりました。すなわち、包 有 物中 に含 まれていたのは純 粋な液 体 の水 （H 2 O）ではなく、CO 2 を含む流体だったのです。さらに、CO 2 -H 2 O 系の相図から流体に含まれる CO 2 の量は 15%以上ということもわかりました。また、サッターズミル隕石が受けた水質変成時にこのような多量の CO 2 を含む流体が存在できる条件として、母天体の直径はおおよそ 100 km よりも大きなものであったこともわかりました。

図 １ サッターズミル隕 石 の鉱 物 中 の CO 2 に 富 む 流 体 包 有 物 の発 見 。 (A) 隕 石 の走 査 型 電 子 顕 微 鏡（SEM）写真。方解石（CaCO 3 ）と呼ばれる鉱 物に着目 した。（B）サンプルの X 線 ナノ CT 像。FIB を用いて方解石を含む領域 を切り出し、SPring-8 において X 線 ナノ CT 撮影 を行った。数 ミクロンの比較 的大きな包 有物 だけでなく、ナノサイズの包 有 物 も多 数 存 在 することがわかった。（ C）方 解 石 中 のナノ包 有 物 の透 過 型 電子顕微 鏡（TEM）像 。ナノ包 有物が多数 存在する領域 を、イオンビームを用いて薄く切り出し、TEM 観 察を行った。（D）CO 2 に富 む流 体 包有物 を含 むナノ包有 物（黄色の矢印 の先）の TEM 像。（E,F）（D）の包有 物を含む領 域 の電 子 線 回 折 図 形 。明 るい斑 点 は方 解 石 の回 折 によるもの。-100℃で見 えている余 分 な斑 点 （E:黄色の矢 印の先）の位 置とこれらが 20℃では消える（F）ことから、CO 2 と H 2 O の化 合物あるいは CO 2 の氷 の存在がわかった。

＜研究 の意義＞
このような多量の CO 2 を含む流体の存在は、隕石 母天体が CO 2 を含む氷とともに形成されたことを意味しています。今から約 46 億年前の太陽系形成時には、太陽からの距離により、その位置よりも外側の低温領域では H 2 O, CO 2 , CO などの氷が存在するスノーライン（雪線とも言われます）が存在しました。今回の結果は、サッターズミル隕石母天体が CO 2 スノーラインよりも外側で作られたことを意味しています。一方、今回 CO 氷は見つからなかったので、CO スノーラインよりも内側ということになります。図２はこの様子 を示しています。横軸に初 期太 陽系 の進化 による時間 経過 が示 されており、時間経過（すなわち太陽系全体が冷えること）による各スノーラインの変化も見てとれます。
従 来 の太 陽 系 形 成 理 論 のモデルでは、惑 星 や小 惑 星 をはじめとする小天 体 が形 成 された位 置は現 在 の軌 道と大きく変わらないと考えられていました。ところが、最 近 のモデルでは、惑 星や小天体は形成後その軌道が変化した（移動した）と考えられるようになりました。このモデルによると、木星は現在の軌道 よりもやや内側で形成されたと考えられていて、図２は母天 体が木星より外側で形 成されたことを示しています。また、最近の研究により、隕石や地球外物質の安定同位体組成が炭 素質コンドライトとそれ以外のものの２つのグループに大別 されることがわかり、前者 は木星の外側、後者 は内 側 で形 成 されたと考 えられています。新しいモデルによると、木星 はやがて現 在 の軌 道 へと移動し、その時に多くの小天体も軌道変化を受け、サッターズミル隕石母天体も火星と木星の間にある小 惑 星 帯 に移 動 したと考 えられます。すなわち、今 回 の発 見 は新 しい太 陽 系 形 成 モデルの物質科学的な証拠（エビデンス）を示したということになります。
初代はやぶさ探査機が採取した小惑星イトカワのサンプルは、普通コンドライトと呼ばれる隕石に対応していました。一方、はやぶさ２探査機が採取した小惑星リュウグウのサンプルは、炭素質コンドライトあるいはそれに類 似した物質に対応すると考えられています。もうすぐ始まる初期分 析により、はやぶさ２サンプルにも同様に液体の水を見いだし、小惑星リュウグウの形成条件を決定することができるかもしれません。

図２ サッターズミル隕石母 天体の形成 領域と H 2 O, CO 2 , CO スノーライン。太陽 系形成 時に存在した H 2 O,CO 2 , CO スノーラインについて、これらの太 陽からの距離が時間（太 陽系 星雲 物質の太陽 への落 下率 として表 している）経 過 とともにどのように変 化 したかを示 した図 に、考 えられるサッターズミル隕 石 母 天 体 の形 成
領域（CO 2 スノーライン、CO スノーラインと、氷 を含 む物質が枯渇した領 域に囲 まれている）を示した。木星 は現 在 の軌 道 よりも太 陽 に近 いところ（３天 文 単 位 付 近 ）で形 成 されたと考 えられ、隕 石 母 天 体 の形 成 領 域 は木 星 よりも外 側 であったことがわかる。やがて木 星 は現 在 の軌 道 へと移 動 し、これに伴 って隕 石 母 天 体 は木星軌道より内 側の小 惑星 帯に移 動したと考えられる。

*）大型放射光施設 SPring-8
兵 庫 県 の播 磨 科 学 公 園 都 市 にある世 界 最 高 性 能 の放 射 光 を生 み出 す理 化 学 研 究 所 の施 設 。高 輝度光科学研究センターが利用者支援等を行っている。SPring-8 の名前は Super Photon ring-8 GeV（ギガ電子ボルト）に由来する。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行 方向を曲げた時に発生する、細く強力な電磁波のことであり、SPring-8 では、この放射光を用いて、ナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究が行われている。

お問い合わせ先◆研究内容について
立命館大学 総合科学技術研究機構 教授 土`山 明E-mail: atsuchi@fc.ritsumei.ac.jp◆報道について立命館大学 広報課 （担当：桜井）TEL: 075-813-8300
E-mail: msakurai@st.ritsumei.ac.jp
京都大学 総務部 広報課 国際広報室
TEL: 075-753-5729
E-mail: comms@mail2.adm.kyoto-u.ac.jp
東京工業大学 総務部 広報課
TEL: 03-5734-2975
E-mail: media@jim.titech.ac.jp
北海道大学 総務企画部 広報課
TEL: 011-706-2162
E-mail: jp-press@general.hokudai.ac.jp（SPring-8/SACLA に関する事）
高輝度光科学研究センター 利用推進部 普及情報課
TEL: 0791-58-2785
E-mail: kouhou@spring8.or.jp