Nitrogen Isotope as a Probe for Deep Space Exploration

• Project/Area Number: 20H00190
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 17:Earth and planetary science and related fields
• Research Institution: Ibaraki University
• Principal Investigator: 橋爪 光 茨城大学, 基礎自然科学野, 教授 (90252577)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山中 千博 大阪大学, 大学院理学研究科, 准教授 (10230509) ; 石田 章純 東北大学, 理学研究科, 助教 (10633638) ; 藤谷 渉 茨城大学, 基礎自然科学野, 准教授 (20755615) ; 鹿山 雅裕 東京大学, 大学院総合文化研究科, 助教 (30634068)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥43,030,000 (Direct Cost: ¥33,100,000、Indirect Cost: ¥9,930,000); Fiscal Year 2024: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000); Fiscal Year 2023: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2022: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000); Fiscal Year 2021: ¥10,920,000 (Direct Cost: ¥8,400,000、Indirect Cost: ¥2,520,000); Fiscal Year 2020: ¥12,090,000 (Direct Cost: ¥9,300,000、Indirect Cost: ¥2,790,000)
• Keywords: 窒素 / 同位体 / アンモニア / 分光分析 / ハイドレート / 隕石 / 有機物 / 段階燃焼分析 / CRDS / 窒素同位体 / 始原隕石 / イメージング分析

Outline of Research at the Start

本研究では、初期太陽系における太陽系外惑星領域から地球に向けた揮発性元素の物質輸送を追跡するため、代表的な揮発性元素の一つである窒素同位体に注目した多面的取組を進める。本研究では、始原隕石で見られる隕石種毎に著しく異なる窒素同位体組成の中から、隕石形成場の温度環境を反映した変動情報を抽出するための取り組みを進める。更に、隕石と彗星の代表的な窒素含有物質の起源的関係を同位体組成の比較から明らかにしたい。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、初期太陽系における太陽系外惑星領域から地球に向けた揮発性元素の物質輸送を追跡するため、代表的な揮発性元素の一つである窒素同位体に注目した多面的取組を進める。近年の研究の進展により、始原隕石の一部は、彗星同様に、小惑星帯よりはるかに太陽から遠い領域で形成したことが示唆され、彗星と隕石の区別が不明瞭になりつつある。本研究では、始原隕石で見られる隕石種毎に著しく異なる窒素同位体組成の中から、隕石形成場の温度環境を反映した変動情報を抽出するための取り組みを進める。更に、隕石と彗星の代表的な窒素含有物質の起源的関係を同位体組成の比較から明らかにする。
一つ目の取組として、始原隕石や地球帰還小惑星試料の段階燃焼質量分析手法を駆使し、微惑星形成前の始原同位体情報を読み取る。昨年度以来、はやぶさ２により地球に持ち帰られた小惑星Ryugu試料の分析を進めた。その結果、化学組成や組織がRyugu試料と類似しているCIコンドライト隕石とRyugu試料の間に、窒素同位体組成や濃度に顕著な違いがあることがわかった。このことから小惑星上で窒素を始めとした揮発性元素の移動が起こっていたことがわかった。本結果を速報したScience誌論文に続き、詳細に記載したフルペーパーが最終受理され、既に公開されている。
二つ目の取組として、宇宙機に搭載可能な窒素同位体その場分析装置の基礎開発を進める。冷たい太陽系を代表する窒素含有固体物質であるアンモニアの同位体組成を測定するためのCRDS分析装置の試作と原理実証を進める。これまでに、プロトタイプ装置を用いアンモニアの窒素同位体分析に成功し同位体検量線が得られている。現在、同分子の水素同位体分析に向けた技術開発を進めている。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

宇宙機に搭載可能な窒素同位体その場分析装置の基礎開発遂行を妨げる不測の事態が生じたため、その取り組みに若干の遅れが生じている。なお、一つ目の取組である、始原隕石や地球帰還小惑星試料の段階燃焼質量分析は予定通りに進行している。

Strategy for Future Research Activity

一つ目の取組である、始原隕石や地球帰還小惑星試料の始原同位体情報の読み取りに関連しては、Ryugu試料や始原隕石内に存在するQ相と呼ばれる揮発性元素担体中の窒素同位体組成や希ガス・窒素元素比などを解読し、太陽系内の様々な惑星物質に共通に含まれる揮発性成分を追求する取り組みを本格化させる。現在、JAXAより追加配分を受けた試料数個をそれぞれ分割し、各試料の窒素同位体分析、希ガス分析、有機物分析ならびに岩石鉱物学的観察を既に開始しており、まもなく個別データを突き合わせ総合的議論を始める予定である。
二つ目の取組である、宇宙機に搭載可能な軽量コンパクトかつロバストなCRDS同位体分析装置の開発については、前年度に成功したアンモニア分子の窒素同位体分析に引き続き、今後はアンモニア分子の水素同位体分析並びに水分子の酸素同位体分析技術の確立に取り組む。

Research Products

• [Journal Article] The Earth atmosphere-like bulk nitrogen isotope composition obtained by stepwise combustion analyses of Ryugu return samples. (2024)
  • Author(s): Hashizume K, Ishida A, Chiba A, Okazaki R, et al.
  • Journal Title: Meteoritics and Planetary Science Volume: - Issue: 8 Pages: 2117-2133
  • DOI: 10.1111/maps.14175
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Microscale simultaneous measurement of carbon and nitrogen isotopes on natural diamond. (2023)
  • Author(s): Akizumi Ishida, Kouki Kitajima, Ko Hashizume, Michael J. Spicuzza, Alexander Zaitsev, Daniel J. Schulze, John W. Valley.
  • Journal Title: Geostandards and Geoanalytical Research, Volume: - Issue: 3 Pages: 569-578
  • DOI: 10.1111/ggr.12485
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The noble gas and nitrogen relationship between Ryugu and carbonaceous chondrites (2023)
  • Author(s): Broadley M.W.、Byrne D.J.、Fri E.、et al.
  • Journal Title: Geochimica et Cosmochimica Acta Volume: 345 Pages: 62-74
  • DOI: 10.1016/j.gca.2023.01.020
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Noble gases and nitrogen in samples of asteroid Ryugu record its volatile sources and recent surface evolution (2023)
  • Author(s): Okazaki Ryuji、Marty Bernard、Busemann Henner、Hashizume Ko、Gilmour Jamie D.、Meshik Alex、Yada Toru、Kitajima Fumio、Broadley Michael W.、Byrne David ... Yabuta Hikaru ... et al.
  • Journal Title: Science Volume: 379 Issue: 6634 Pages: 431-431
  • DOI: 10.1126/science.abo0431
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Heat-Induced Dolomitization of Amorphous Calcium Magnesium Carbonate in a CO2-Filled Closed System (2022)
  • Author(s): Shingo Sugawara, Wataru Fujiya, Hiroyuki Kagi, Akira Yamaguchi, and Ko Hashizume
  • Journal Title: ACS Omega Volume: 7 Issue: 49 Pages: 44670-44676
  • DOI: 10.1021/acsomega.2c03258
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] First asteroid gas sample delivered by the Hayabusa2 mission: A treasure box from Ryugu (2022)
  • Author(s): Okazaki Ryuji、Miura Yayoi N.、Takano Yoshinori、Sawada Hirotaka、Sakamoto Kanako、Yada Toru、Yamada Keita、Kawagucci Shinsuke、Matsui Yohei、Hashizume Ko ... Yabuta Hikaru ... et al.
  • Journal Title: Science Advances Volume: 8 Issue: 46 Pages: 2375-2548
  • DOI: 10.1126/sciadv.abo7239
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] D-depleted water isotopic measurement with a miniaturized cavity ring-down spectrometer aiming for exploration of lunar water (2022)
  • Author(s): Murayama, J., Yamanaka, C., Hashizume, K. and Takigami, S.
  • Journal Title: Sensors and Actuators A: Physical Volume: 338 Pages: 113481-113481
  • DOI: 10.1016/j.sna.2022.113481
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hydrothermal Activities on C-Complex Asteroids Induced by Radioactivity (2022)
  • Author(s): Fujiya W., Higashi H., Hibiya Y., Sugawara S., Yamaguchi A., Kimura M. and Hashizume K.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 924 Issue: 1 Pages: L16-L16
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ac448f
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Water and light element resources on the Moon (2021)
  • Author(s): 橋爪 光
  • Journal Title: 月サイエンスブック Volume: 第一部 Pages: 189-196
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 月表層浅部の水資源分布マップ生成シナリオ (2023)
  • Author(s): 宮本 英昭, 鈴木 直志, 鹿山 雅裕, 橋爪光, 堀田 任晃, 白津 英仁
  • Organizer: 第67回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] 月面水の濃集機構 (2023)
  • Author(s): 橋爪 光, 鹿山 雅裕, 宮本 英昭, 鈴木 直志
  • Organizer: 第67回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] 月における水の科学検討と資源活用 (2023)
  • Author(s): 鹿山 雅裕, 橋爪 光, 宮本 英昭, 戒能 碩人, 鈴木 直志
  • Organizer: 第67回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] On the Mn-Cr dating of Ryugu carbonates using ion-implanted standard materials. (2023)
  • Author(s): W. Fujiya, R. Kogiso, S. Sugawara and K. Hashizume
  • Organizer: 86th annual meeting of The Meteoritical Society
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Microbial nitrogen cycle recorded in the 3.2 Ga banded iron formation of the Fig Tree Group, Barberton, S. Africa (2023)
  • Author(s): Hikari Saito, Akizumi Ishida, Ko Hashizume, Takeshi Kakegawa
  • Organizer: Goldschmidt 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 月極域日照地域における表土内水濃集過程 (2023)
  • Author(s): 橋爪 光
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2023年大会
• [Presentation] 南極産CIコンドライト隕石中の窒素同位体段階燃焼分析から推察するCIコンドライト隕石母天体中の変成作用 (2023)
  • Author(s): 千葉 文乃、笠原 航河、橋爪 光
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2023年大会
• [Presentation] Nitrogen isotopes in Ryugu return samples revealed by the stepwise combustion analysis, in comparison with CI falls and Antarctic finds. (2022)
  • Author(s): Hashizume K., Ishida A., Chiba A., Okazaki R., Yada T., Kitajima F., Yurimoto H., Nakamura T., Naraoka H., Noguchi T., Yabuta H., Tachibana S., Watanabe S., Sakamoto K. and Tsuda Y.
  • Organizer: The 9th Hayabusa Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 月表土中に捕獲された水 - その分布に関する考察. (2022)
  • Author(s): 橋爪 光
  • Organizer: 第66回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] 月表土内部における水分子の捕獲過程 (2022)
  • Author(s): 橋爪 光
  • Organizer: 日本惑星科学会2022年秋季講演会
• [Presentation] Isotopic Compositions of Noble Gases and Nitrogen in the Ryugu Samples Returned by Hayabusa2 (2022)
  • Author(s): Okazaki R., Marty B., Busemann H., Hashizume K., Gilmour J., et al.
  • Organizer: 53rd Lunar and Planetary Science Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 月極域探査用レーザー微量水分計の開発 (2021)
  • Author(s): 山中 千博,村山 純平,瀧上 駿,橋爪 光,阿部 恒,鹿山 雅裕,染川 智弘,月崎 竜童,横田 勝一郎
  • Organizer: 第65回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] 月極域探査に向けたレーザー微量水分計「ADORE」 (2021)
  • Author(s): 山中 千博,村山 純平,瀧上 駿,橋爪 光,阿部 恒,鹿山 雅裕,染川 智弘,月崎 竜童,横田 勝一郎
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会
• [Presentation] 高親鉄性-高揮発性元素・窒素から解読する初期地球史 (2021)
  • Author(s): 橋爪 光, 大高 理
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会
  • Invited
• [Presentation] 月極域水から解読する、月-地球軌道を横切る惑星水フラックス (2021)
  • Author(s): 橋爪 光、山中 千博、鹿山 雅裕、大竹 真紀子
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会