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日本惑星科学会誌Vol. 29, No. 1, 2020

核合成起源同位体二分性と初期太陽系の進化
深井 稜汰12019年8月27日受領，査読を経て2019年11月23日受理（要旨）太陽系の進化過程を考える上で，惑星形成以前の情報は不可欠である．コンドライト隕石は，原
始太陽系星雲の物理化学過程を記録した未分化な隕石である．コンドライト隕石の全岩組成には，核合成起源の同位体異常が見られる．この同位体異常は，太陽系形成以前に作られたプレソーラー粒子が原始太陽系星雲で時空間的に不均質分布していたことに由来する．
近年，炭素質コンドライトのTi・Cr・Sr・Mo・Nd同位体組成は，エンスタタイトコンドライト・普通コンドライト・その他の分化隕石の同位体組成と異なっていることがわかった．この結果は，原始太陽系星雲の内側・外側領域に，同位体二分性が存在していたことを示唆する．二分された領域の同位体組成の違いを説明するには，木星コアによる原始太陽系星雲の空間的な分断が必要という解釈が主流になっている．本論文は同位体二分性を主なトピックとし，同位体組成の違いを生んだ物質・元素間の傾向の違いなどを総合的に議論する．

1. 序論

イト・普通コンドライト・炭素質コンドライトの3 種類に大分される．近年の小惑星探査において，はやぶ太陽系の固体物質，特に岩石惑星がどのように形さが普通コンドライトと類似した反射スペクトルを示成・進化してきたかを解明することは, 近年の惑星科す小惑星( S 型小惑星 )・はやぶさ2 が炭素質コンドラ

学 研究においてますます重要になってきている. 古イトと類似した反射スペクトルを示す小惑星(C 型小典的な太 陽系形成モデルによると，太 陽系の微 惑惑 星 )に着陸したことは有名である．コンドライトの星は数マイクロメートルの微 粒子が 合体成長をくり鉱物学・地球化学的研究により，原始太陽系星雲にかえし形成したと考えられている[ 1など ] . そのため，おける固体物質の凝縮過程・輸送過程など様々な現現在の惑星の軌道・質量・化学組成といった特徴は,象が理解されている[2など ]．

原始太陽系星雲における固体物質が受けた物理化

前述の構成要素の他に，コンドライトに微量に含学過 程に由来している. 原始太 陽系星雲内の情報まれている「プレソーラー粒子」は，隕石の化学的研は，地球や火 星のように大規模なコア―マントルの究において非常に重要な物質である．プレソーラー

分化・ケイ酸塩層の分化を経験していない，未分化

粒子は，多くの元素において太陽系平均とは大きくな小 惑 星由来のコンドライト隕石(以下コンドライト)

異なる同位体組成を持っている[ 3など ]．そのため，に残されている．コンドライトは大きく4つの構成要

プレソーラー粒子は太陽系形成以前に存在した恒星

素 ( 難揮発性包有物・コンドリュール・Fe - N i合金・マで形成したと考えられている．コンドライト中に現存トリックス)からなる岩石で，エンスタタイトコンドラするプレソーラー粒子は，隕石母天体における変成1 .東京大学 理学系研究科 地殻化学実験施設
ryota .fukai@gmail.com

や，原始太陽系星雲内の物理化学過程による同位体均質化を免れた先太陽系物質の生き残りである．お核合成起源同位体二分性と初期太陽系の進化／深井15

そらく，原始太陽系星雲にはより多くのプレソーラーの効果を補正している．つまり，隕石試料の同位体粒子が存在していたが，上述の過程を経て，太陽系比の差異は，非質量依存の同位体変動を反映する．の固体 物質の同位体組成は大局的には均質化した扱う隕石試 料・同位体の選定，結果の検証により，と考えられてきた．

本論文で議論される隕石全 岩に見られる同位体 不一方，近年の研究成果により，多くのコンドライト
全岩はTi・Cr・Sr・Mo・Ru・Ba・Nd・W同位体などで均質性は，基本的に全て「核合成起源同位体異常」と解釈される．

地球と異なる同位体組成をもつことがわかっている

プレソーラー粒子は顕 著な核合成 起源同位体 異[4など ]．この同位体変動は，隕石全岩の「核合成起常を示し，漸近巨星分枝星や重力崩壊型超新星爆源同位体異常」または「同位体異常」と呼ばれている．

発における核合成過程を記録している．漸近巨星分隕石全岩に同位体異常が存在することは，原始太陽枝星では，He燃焼殻に貯蔵された中性子が Feなど系星雲においてプレソーラー粒子が 時空間的に不の原子核に捕獲され，遅い中性子捕獲反応 (sプロセ均質分布していたことを示している．同時に，コンドス)が起きる．sプロセスは主にFe - pea k以降の元素

ライト母天体と地球が異なる時空間で形成したことからPbまでの元素を合成するので，漸近巨星分枝を表している．つまり，プレソーラー粒子によって変星由来プレソーラー粒子のSr・Mo・Ndなどは，sプ動する同位体組成は，惑星物質の形成過程を辿る上ロセスで出来た同位体 (s 核種 )に富む同位体組成をでの重要なトレーサーである．

持っている．さらに，漸近巨星分枝星由来プレソー同位体異常の起源を理解することは，原始太陽系ラー粒子のもつ同位体組成は，理論的に得られたs星雲における熱過程や物質輸送 過程を探る上で重プロセス端成分の同位体組成とよく一致している[ 5要である. 本論文では , まず核合成の種類や機構になど ]．

ついて解説 ( 2 章)した後に, 近年話題を呼んでいる同一方重力崩壊型超新星爆発では，その爆発的な位体異常の「二分 性 」に関する研究を中心に紹介すエネルギーの解放によって，中性子過剰なFe - pea kる(3章) . 最後に，結論と今後の展望を述べる(4章)．

元 素の合成 (例：50Ti , 54Cr) や速い中性子捕獲反2. 核合成起源同位体異常とは応 (rプロセス) など が 起きる．rプロセスは 主に Fe pea k 以降の元 素からUまでの元 素を合成する．重力崩壊型超新星爆発由来プレソーラー粒子について

固体物質のもつ同位体比は，大きく2 つの要因にはまだ情報が少なく，一部 54Crの過剰を示す粒子よって変 動する．1つは，質量依存同位体分別であの報告がある程度である[6, 7]．重力崩壊型超新星る．この分別は，同位体の質量数の差異に伴う化学爆発由来のプレソーラー粒子が，rプロセスで出来た平衡の平衡定数(平衡同位体効果)，運動エネルギー同位体 (r核種 )に富む同位体組成を持っているかは( 動的同位体効果)の差によって生じる．もう1つの要未だ不明であり，重要な研究課題となっている．し因は，質量数の差異では定 式化できない同位体分かし，太陽系のFe - pea kより重い元素は，概ね「s 核別(非質量依存同位体分別)である．非質量依存同位種 + r核種 」で出来ていると言えるので，rプロセス

体分別は原子核の体 積・形の差 (フィールドシフト効で出来る同位体組成は ( 太陽系の平均同位体組成 )果)・磁気モーメントの差( 磁気同位体効果)などによっ− (sプロセスで出来る同位体組成：理論値 またはて生じる．さらに非質量依存の同位体変動を起こす

漸近巨星分枝星由来プレソーラー粒子の測定値 ) とプロセスとして広く知られるのが，放射性元素の壊いう計算によって求められる．

変による影響，大気の光化学反応，宇宙線照射によ

このように，各恒星で出来たプレソーラー粒子がる核反応，核合成などである．天然試料に観測され持つ同位体組成を端成分とすることで，隕石全岩にるこれらの非質量依存の同位体変 動は，一般に同見られる同位体 異常の起 源を判別することが でき位体異常と呼ばれる.

る．図2から4までの同位体比プロットには，s 核種

本論文で紹介する同位体組成のデータは，全ての(質量分析計内・天然を問わず ) 質量依存同位体分別に富む (s - exces s)，r核種に富む (r- exces s) 傾向がそれぞれ矢印で示されている．

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図1 : 隕石全岩のμ54Cr−μ50Tiデータを示す図(Cr: [9, 11–15], Ti: [14, 16–18])．全てのデータは同一の隕石から得られており，特に同一研究グループ(Cr: [9] – Ti: [17]，またはCr–Ti: [14])からデータが報告されている場合は，重複するデータがあっても同一研究グループの報告のみ採用している．Warren [10]では，国際会議のアブストラクトのデータも含めコンパイルしているが，ここでは掲載していない．
μiM = ((Rmeteorites / Rterrestrial) – 1) × 10^6), R = iM/jM を表す．プロットの誤差は，各論文に掲載されている測定誤差を示す．

3. 同位体二分性
3.1

同位体二分性の発見

隕石全 岩に同位体 異常があることは，2000 年代に質量分析計の分析精度向上に伴って，様々な元素

分 性は，単純な二成分混合などの単一の物理化学過程では達成されない．更に，NC・C C間には組成のギャップがあり，中間的な同位体組成をもつ物質がないことが見てとれる．これらの結果から，NC・C Cには形成時に時空間的な分断があり，それぞれの形成領域で異なる物質輸送が進行していたと考えられる．

において明らかになりつつあった[8, 9など ]．炭素質

Wa r renの結果をもとに，更に発展した解釈を導コンドライトは特に大きな同位体異常を示し，エンスいたのが Budde et a l . [ 19]，K r u ijer et a l . [20]タタイトコンドライトや 普 通コンドライトは 地 球に近である．著者達は Ti・Cr同位体の結果に続き，Moい組成・または区別できない組成を示す傾向にある．

同位体に同様の二分 性を見出した．NC・C Cは Mo

Wa r ren [ 10]は，過去の研究で得られたTi・Cr同位同位体比の二次元プロット上で，異なる回帰直線を体のデータを使って，地球を含む様々な惑星物質は作る( 図2)．C C - g roupは NC - g roupよりr核種に富同位体異常によって大きく2つのグループに分類されんでおり，Ti・Cr同位体の結果と同様にNC・C Cのると提唱した(同位体二分 性 )．1つのグループは, 炭中間的な同位体組成の物質は存在しない．NC・C C

素質コンドライトと一部の分化隕石で構成されるC Cの回帰直線は切片が異なり，ほぼ平行な傾きを持つ(Ca rb onaceous Chond r ites) - g roupである．もことから，単一の過程では両者のMo同位体組成をう一方のグループは，エンスタタイトコンドライト・普説明することはできない．さらに著者達は H f–W年

通コンドライト・( 火 星 由来と考えられて いる) S NC

代測定によってNC・C C母天体の分化年代の差を求隕 石・( 小 惑 星ベスタ由 来と考えられて いる) H ED

め，NC・C Cの時空間的な分断の存在をより明確に

隕 石など で 構 成され るNC ( Non - Ca rb on aceous

示した．それでは，原始太陽系星雲は一体何によっmeteor ites) - g roupである．Ti・Cr同位体比の二次て分断されTi・Cr・Mo同位体二分性を生んだのだろ

元プロット上で，NC - g roupとC C - g roupは異なるうか．

傾きを持っている(図1)．つまり，NC・C Cの同位体二著者達はその原因を，他の岩石惑星より先に誕生核合成起源同位体二分性と初期太陽系の進化／深井17

図2: 隕 石全 岩のμ94Mo−μ95Moデータを示す図(EC (Enstatite Chondrites), OC (Ordinar y Chondrites): [21–23], CC: [19,22–24], CAI: [25])．2本の直線は，NC・CCそれぞれのプロットから得られた回帰直線である（計算には「ISOPLOT」を用いた）．プロッ
トの誤差は，各論文に掲載されている測定誤差を示す．

した「木 星コア」であろうと解釈した．より詳しいシ[21] は，重 力崩壊 型 超 新星 爆 発 由来プレソーラー

ナリオは以下の通りである．木 星による分断によっ粒子が C C 形成領域に選択 的に輸送されたことで，て，太陽系外側から内側へ粒子が落下することが阻

C C - g roupが r核種に富む同位体組 成を獲 得した，害され，NC・C C 領域の物質は混合しなかった．分というモデルを提案した(図2)．

断が起きている間，NC・C Cそれぞれの形成領域に一方 で，Fu ka i a nd Yokoya ma [26] は，NC・存在する粒子は微惑星レベルに成長した．この時点

C C両者を含むコンドライト全 岩のNd同位体分析をでNC・C C領域のMo同位体組成には二分性が存在行った．著者達が Nd同位体に注目した理由の1つにした．その後微惑星は木星の移動によって擾乱を受は，Ndの核合成起源が関係している．Wa n ajo [27]け，現在の小惑星帯の軌道に輸送された(この部分は，ある条件下の重力崩壊型超新星爆発で起きるrはグランド・タックモデルと同様 )．この論 文の発 表プロセスでは，質量数 130以上( Ba 以降)の元素は合以降，同位体二分性の原因として「木星コア」の存在成されない，というシミュレーション結果を示した．

を前提とする論文が大半を占めるようになるほど，イNdの質量数は144 程度なので，重力崩壊型超新星ンパクトのある説であった．

爆発由来プレソーラー粒子が C C形成領域に混入し3. 2

同位体二分性の起源たとしても，形成領域のNd同位体比は乱されない．
このことから，もしWorsha mらの説のようにMo同同位体二分 性について議論するとき，原因となる位体二分 性が重力崩壊 型超 新星爆発由来プレソー物質 (例えば漸近巨星分枝星由来・超新星爆発由来ラー粒子の混入によって生まれたならば [21]，隕石などのプレソーラー粒子)を考えることは，原始太陽全岩にNd同位体二分性が存在する可能性は低いと系星雲の物理化学過程を理解する上で重要である．

考えた．

Mo同位体二分 性を発見したK r u ijerらは，具体的しかし著者達の予想に反して，NC・C C間にはNdにどのような物質の空間的不均質性が NC・C Cの同同位体二分性が存在した (図3)．つまり，元素によっ位体比の違いを生んだのか，深く言及しなかった．て同位体二分性を形成する原因は異なり，重力崩壊後続の論文では，Mo同位体二分 性をつくった物質型超新星爆発由来プレソーラー粒子以外にも，二分について詳しく議論 がなされた．Worsha m et a l .

性の原因となる物質を考える必要が出てきたのであ18

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図3: 隕石全岩のμ142Nd−μ150Ndデータを示す図(EC・OC・CC: [26, 28]，CAI: [25])．原点を通る直線は，地球組成とsプロセス端成分[5]との混合直線を示す．EC・OC・CC・CAIの誤差は分析結果の2 SD (two standard deviations)を示す．CAI-subtracted CCの誤差は，分析結果の誤差を伝播させた2 SE (two standard errors)を示す．

る．それでは，Nd同位体二分 性の原因となった物

CA I中の元素存在度が高いため，同様のモデルで質はなんだろうか．最も有 力な候 補は，コンドライ同位体二分 性をおおむね説明することが出来る( Ti :ト中 に含 まれ る CA I (Ca lciu m - a lu m i nu m -r ich[ 32] , Sr : [28] )．

i nclusions ; 難 揮発 性包有物 )であると考えられる[26, 29]．

それでは，Ndとは異なり親 鉄 性 元 素であるMo
同位体 二分 性を，CA Iの輸 送によって説明するこCA Iは太 陽 近傍で凝 縮したと考えられる高温凝とはできるのだろうか．Render et a l . [22] による縮 物 であり， 太 陽 系 最 古の 年 代を示 すこと(4567と，「C C - g roupからCA Iの寄与を取り除くと，NC -M a : [ 30] )，隕石全岩よりも大きな同位体異常をもつg roupの同位体組成に近づく」という傾向はMo同位こと[25] で 知られている( 図2- 3)．CA I が 同位体 異体にも見られる．しかし，CA IのMo 存在度が比較常をもつということは，CA I 形成領域と地球にもま的小さいことから，CA Iを取り除いただけでは NC・たプレソーラー粒子の時空間的不均質性があったと

C Cの同位体組成の差異は説明できない．結論としいうことだが，その原因は本論文では議論せず NC・て，Mo 同位体二分 性は主に重 力崩壊 型 超 新星 爆

C C の違いにのみ着目する．CA Iは，NC - g roupに発由来プレソーラー粒子，Nd同位体二分 性は主にはほとんど含まれておらず，C C - g roupには最大 3％

CA I によって引き起こされたと考えるのが，現状最

ほ ど 含 ま れ て い る [ 31]．Fu ka i a nd Yokoya maも妥当と言えそうである．

[26]は，炭素質コンドライト全 岩の同位体組成からCA Iの同位体 組 成をマスバランス計 算で取り除き，
CA I- subt racted C Cの同位体組成を計算した．結3.3

NC - group・CC - group内の同位体不均質性

果として，NC - g roupとCA I- subt racted C Cの同NC - g roup・C C - g roup間に見られる同位体二分位体不均質性は，二成分混合で説明できることがわ性の原因についてここまで議論してきたが，それぞかった(図3)．C C - g roupからCA Iを取り除くことで，れのグループの中にも同位体不均質性は存在してい同位体二分性に特徴的な組成のギャップは無くなっる(図1– 4)．ここからは，各グループ内の同位体不均たため，Nd同位体二分 性の原因はC C 形成領域に質性に関する研究例を紹介する．

輸送された CA Iである可能 性が 高い．Ndをはじめ

NC - g roupは，数 種 類のコンドライトと分化隕石とする親石性かつ難揮発性の元素（Ti , Srなど）は，で 構 成されて いる．NC - g roup 内 で 地 球と最も良核合成起源同位体二分性と初期太陽系の進化／深井19

図4: 隕石全岩のμ84Sr−μ150Ndデータを示す図(EC・OC・CC: [26]，CAI: [25])．原点を通る直線は，地球組成とsプロセス端成分 (太線:[36]，破線: [37])との混合直線を示す．EC・OC・CC・CAIの誤差は分析結果の2 SDを示す．CAI-subtracted CCの誤差は，分析結果の誤差を伝播させた2 SEを示す．

い一致を見せる隕石種として，エンスタタイトコンドて分類された8 種類の炭素質コンドライトサブグルー

ライト(Cr : [ 9] )，I A B 型 鉄 隕 石 ( Mo: [21] ) が 挙 げプ(CV・CK・CM・C O・C B・CH・CR・C I )と，これらられる．地球とこれらの隕石母天体は，おおむね同のグループに分 類されない例外 的な隕石(タギシュ

一の同位体リザバーで 形成したと考えられている．

レイク隕石など )で構成されている．サブグループ間

一方で，NC - g roupの中で比 較 的 大きな同位体 異での同位体組成の違いはCr同位体で最も明瞭に示常を示すのが，分化隕石の一種であるユレイライト

されている[ 9]．Sug iu ra a nd Fujiya [ 35]はコンド隕石である(Cr : [ 9, 33] )．S ch i l ler et a l . [ 34] は，ライト母天体の集 積年代とCr同位体 異常に相関関NC - g roupの Ca同位体 異常の大きさが各隕石母天係があることを指 摘し，Cr同位体 異常の原因が原体の質量に比例することを主張した．著者達は，質始太 陽系星雲の時間的な組 成変化であることを主量 が小さい天体 (ユレイライト母天体 ) は C C - g roup張した．一方 Fu ka i a nd Yokoya ma [28]は，CV・由来 物質の降 着 量 が小さく， 質量 が 大きくなるにCM・C O・C IコンドライトにSr・Nd同位体不均質性

つ れ 降 着 量 が 増 すというモデルを提 唱して いる．

が 存在することを示した ( 図 4)．Cr同位体比の結果

Yokoya ma et a l . [23] では， エンスタタイトコンドと異なり，Sr・Nd同位体異常と集積年代の相関関係

ライト・普通コンドライト・ルムルチコンドライトにMoは得られなかった．そこで，Sr・Nd同位体不均質性同位体不均質性を発見した．原因として，原始太陽を説明する新たなモデルとして，C C形成領域への粒系星雲で一部のプレソーラー粒子が中心星付近で子輸送モデルを提案した ( 図 5)．小 惑 星と隕石の対起きた熱過程によって選択的に破壊され，ガスとし応関係から，CV母天体は円盤の比較的内側，CM・て分離するモデルを提案した．もしくは，コンドライC O 母天体は円盤の比較的外側で形成したことが推ト毎のマトリックス存在 量・Fe - N i 合金存在 量の違察される[ 38]．C C - g roupの母天体は全て木星以遠

いによっても，NC - g roupのMo同位体 不均質性がで形成されたとすると，CV母天体は木星付近で形説明 可能であるとしている．このように NC - g roup成されたことになる．近年のシミュレーション結果かの同位体不均質性は元素によって見られる傾向が異ら，木星形成領域のすぐ外側では，ガス圧力勾配のなり，それらを現時点で統一的に説明できるモデルギャップが生じることによって比較的大きい粒子がはない.

濃 集することが示されている[ 39]．木 星よりも内側

C C - g roupは，化学組成・酸素同位体組成によっの領域から輸送された (C C - g roup 平均と異なる同20

日本惑星科学会誌Vol. 29, No. 1, 2020

図5：Sr–Nd同位体不均質性を表す概念図([28]より一部改変)．

位体組成の) 粒子が，CV母天体付近に濃集すること年代の違いや，NC形成領域から輸送された粒子ので，CM・C O 母天体との差異を説明することができ不均質分布によって引き起こされた可能性がある．

る．

このように，隕石全岩の同位体異常の原因を解釈しかしこのモデルは，C C - g roupの中で最も太陽する際，隕石母天体の「空間的な」分布・「時間的な」系の外側に由来すると考えられてきた C Iコンドライ分布を軸に議論が進められてきた．しかし，隕石母

トが，小さい同位体 異常を示すことを上手く説明で天体の「空間的な」分布というのは，小惑星と隕石のきない．C C - g roup間の不均質性はより複 雑な機構

対応関係をある程 度仮定した上で得られる，間接を表している可能性があり，様々な元素の測定から的な証拠である．隕石と小惑星表面の反射スペクトより多角的に検証する必要がある．

ルが完全に一致する例は少ないことからも，隕石が4. 結論と今後の展望由来する場所の情報に欠ける標本なのは間違いない．一方で，はやぶさ2やO S I R I S - R Exのサンプルリターン探査は，直接リモートセンシング探査をした

隕石全 岩のもつ核合成起源同位体 異常は，初期小惑星から岩石試料を入手し，対応した化学情報を太陽系に起きた様々な物理化学過程を表している．

実 験 室環 境で得ることができる．この方法により，特に近年発見された同位体二分性は，隕石母天体が小惑星の空間分布に加え，小惑星の宇宙風化など形成した時空間的な違いを明瞭に示している．炭素の影響も考慮することができ，より精密な議論がで質コンドライトに代表されるC C - g roupの形成領域きることが期待される．そのためにも，我々が手にしと，エンスタタイトコンドライト・普 通コンドライトなている隕石試料を用いた信頼できる宇宙化学データ

どのNC - g roupの形成領域は，木星コアによって空ベースの構築や，微小量サンプルからできる限り多く間的に分断されていたというのが有力な説である．の情報を引き出すスキームの確立などが，今後不可NC - g roup 内 , C C - g roup 内 に見られ る同 位 体
不 均質性の原因を明らかにすることも重要である．
NC - g roupの同位体 不 均質性は，熱 過程によるプレソーラー粒子の破壊や，マトリックス・Fe - N i合金欠になるだろう．

謝辞の含有量の違いによって引き起こされた可能性があ

本論文の執筆を勧めてくださった瀧川晶博士，丁る．C C - g roupの同位体不均質性は，母天体の集積

寧にコメントをして頂いた査読者の飯塚毅 博士に厚核合成起源同位体二分性と初期太陽系の進化／深井く御礼申し上げます．本論文の議論やデータの大部分は，東京工業大学地球惑星科学系にて提出した自身の博士論文をもとにしています．当時の指導教員である横山哲也博士をはじめ，ご指導頂いた臼井寛裕博士，羽場麻希子博士らに深く感謝致します．

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