Construction of an unifying model of formation and evolution of primordial material in the solar system

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H00205
• Research Institution: Ritsumeikan University
• Principal Investigator: 土山 明 立命館大学, 総合科学技術研究機構, 教授 (90180017)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 三宅 亮 京都大学, 理学研究科, 准教授 (10324609) ; 松本 恵 東北大学, 理学研究科, 助教 (50725455) ; 奥住 聡 東京工業大学, 理学院, 准教授 (60704533)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: はやぶさ２ / オシリスレックス / 炭素質コンドライト / 非晶質珪酸塩 / 氷 / 水質変成 / ナノX線CT / グランドタック

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は「太陽系始原物質は共通した局所加熱イベントにより生成、氷や有機物とともに母天体として集積、隕石母天体は散乱により内側の小惑星帯へと移動した」という作業仮説を設定し、高温物質の再現実験、再現物の水質変成実験、太陽系始原物質の分析、理論的考察により、太陽系始原物質形成・進化の統一モデルを構築することである。
当該年度は、JAXAのはやぶさ２探査機が小惑星リュウグウから地球に持ち帰ったサンプルの分析を前年度に引き続き重点的に行うとともに、NASAのオシリスレックス探査機が小惑星ベンヌから2023年9月に持ち帰ったサンプルの分析を開始した。リュウグウサンプルについては、X線CTを中心としてTEMなどを用いた系統的な分析を行った。これにより、リュウグウ母天体を作った固体微粒子は主として非晶質珪酸塩からなり、この高反応性物質の水流体との反応により、極めて高い過飽和度から低過飽和度へと推移する水質変成プロセスを明らかにした。また、水質変成の再現実験を、凝縮実験で作成した物質を用いて行い、マトリクスやコンドリュールトの集合体がどのような水質変成を受けるかを調べた。
X線CTの吸収像および位相シフト像の定量的な解析により、リュウグウサンプルのマトリクスのFe/Mg比、密度、ナノ空隙率を求める手法を開発した。炭素質コンドライトについても同様の手法を適用し、リュウグウサンプルと比較したところ、CIコンドライトに対応するとされているリュウグウサンプルは、CIコンドライトと異なる特徴を持つことがわかった。また、予察的ではあるが、ベンヌサンプルにはリュウグウサンプルよりもより空隙率の高いものが存在することがわかった。
一方で、さまざまな揮発性成分を含む氷ダストの原始太陽系円盤内での合体と輸送のシミュレーションをおこない、元素輸送と惑星成長を考慮した円盤における組成進化を明らかにしつつある。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当該年度は、はやぶさ２のリュウグウサンプルの分析を中心に、多くの論文を発表することができた。とくに、サンプルが水質変成を受ける前の物質が非晶質珪酸塩であったという観点から、リュウグウ母天体における水質変成プロセスを解明し、太陽系始原物質形成・進化についてのモデルをより具体的に提案することができた。また、リュウグウサンプルとCIコンドライトとの相違点をもとに、リュウグウサンプルの特徴を明らかにすることができただけでなく、予察的ではあるがオシリスレックスのベンヌサンプルのリュウグウサンプルとの違いについても明らかにすることができた。また、X線CTを用いた従来と異なる手法により、多数のリュウグウサンプル粒子のバルク密度測定をおこない、密度の確定値を得た。
一方で、リュウグウサンプル、ベンヌサンプルや炭素質コンドライトについて、X線CT法により太陽系形成時の流体水の化石ともいうべき流体包有物の候補をいくつか見出した。今後これらの分析により、太陽系形成時におけるサンプル物質の生成領域に関するより詳細な情報が得られることが期待される状況にある。
実験による研究（高温物質の再現実験、再現物の水質変成実験）については、予定よりやや遅れているが、再現実験生成物を用いた水質変成実験により、マトリクスやコンドリュールとの集合体がどのような水質変成を受けるかが明らかにされつつある。
また、太陽系始原物質形成・進化についての理論的考察も、揮発性成分を含む氷について進みつつあり、珪酸塩への拡張を行いたい。

Strategy for Future Research Activity

高温物質の再現実験を行い、コンドリュールとマトリクス同時生成の条件を求める。また、再現物の水質変成実験を今後さらに系統的に行い、提唱した水質変成作用モデルと水質変成実験との比較により、詳細な水質変成条件を明らかにする。また、水質変成作用で生成された磁鉄鉱の結晶形態の多様性と酸素同位体分別に着目した分析を行い、水質変成プロセスの理解を進め、太陽系始原物質形成・進化についてのモデルをより精密なものとする。
リュウグウサンプル、ベンヌサンプルや炭素質コンドライトから見出している流体包有物の候補について、集束イオンビーム（FIB）を用いたマイクロサンプリングを行い、流体包有物を逃すことなく、顕微ラマン分光分析や超低温時間飛行型２次イオン質量分析（cryo TOF-SIMS）をおこない、流体の確認だけでなく、その元素組成や可能であれば酸素同位体組成を求める。これにより、太陽系形成時のサンプル物質の生成領域に関するより詳細な情報を得る。
ベンヌサンプルや関連する炭素質コンドライト隕石について、新しく開発したナノX線CTによるマトリクス解析法によりFe/Mg比、密度、ナノ空隙率を求め、リュウグウサンプルも含めた系統的な比較をおこなう。これにより、太陽系始原物質として最も重要なこれらの物質の位置付けを明らかにする。
太陽系始原物質形成・進化についての理論的考察について珪酸塩への拡張を行い、高温物質の再現実験、再現物の水質変成実験、太陽系始原物質の分析とともに、太陽系始原物質形成・進化の統一モデルの構築を目指す。

Research Products

• [Int'l Joint Research] NASAジョンソン 宇宙センター(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: NASAジョンソン 宇宙センター
• [Int'l Joint Research] パリサクレ大学(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: パリサクレ大学
• [Int'l Joint Research] オープン大学(イタリア)
  • Country Name: ITALY
  • Counterpart Institution: オープン大学
• [Int'l Joint Research] 広州地球化学研究所(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: 広州地球化学研究所
• [Journal Article] Influx of nitrogen-rich material from the outer Solar System indicated by iron nitride in Ryugu samples (2024)
  • Author(s): Matsumoto T., Noguchi T., Miyake A., Igami Y., Haruta M., Saito H., Hata S., Seto Y., Miyahara M., Tomioka N., Ishii H., A., Bradley J. P., Ohtaki K. K., Dobric_ E., Leroux H., Le Guillou C., …, Tsuchiyama A. (42nd author), …. Mastumoto M. (55th author) et al.
  • Journal Title: Nature Astronomy Volume: 8 Pages: 207-215
  • DOI: 10.1038/s41550-023-02137-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Records of interplanetary dust hit on asteroid Ryugu (2024)
  • Author(s): Matsumoto, M., Matsuno, J., Tsuchiyama, A., Nakamura, T., Enokido, Y., Kikuiri, M., Nakato, A., Yasutake, M., Uesugi, K., Takeuchi, A., Enju, S., Okumura, S., Mitsukawa, I., Sun, M., Miyake, A., Haruta, M., Igami, Y., Yurimoto, H., Noguchi, T., Okazaki, R. et al.
  • Journal Title: Science Advances Volume: 10 Pages: eadi7203
  • DOI: 10.1126/sciadv.adi7203
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Three-dimensional textures of Ryugu samples and their implications for the evolution of aqueous alteration in the Ryugu parent body (2024)
  • Author(s): Tsuchiyama, A., Matsumoto, M., Matsuno, J., Yasutake, M., Nakamura, T., Noguchi, T., Miyake, A., Uesugi, K., Takeuchi, A., Okumura, S., Fujioka, Y., Sun, M., Takigawa, A., Matsumoto, T., Enju, S., Mitsukawa, I., Enokido, Y., Kawamoto, T., Mikouchi, T., Michikami, T. et al.
  • Journal Title: Geochimica et Cosmochimica Acta Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1016/j.gca.2024.03.032
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Three-dimensional multiscale assembly of phyllosilicates, organics, and carbonates in small Ryugu fragments (2023)
  • Author(s): Dionnet Z., Rubino S., Al_on-Toppani A., Brunetto R., Tsuchiyama A., Lantz C., Djouadi Z., Baklouti D., Nakamura T., Borondics F., Sandt C., Heripre E., Troadec D., Mivumbi O., Al_on J., Ternier T., Matsumoto M. et al.
  • Journal Title: Meteoritics & Planetary Science Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1111/maps.14068
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A newly revised estimation of bulk densities and examination of the shape of individual Ryugu grains (2023)
  • Author(s): Miyazaki A., Yada T., Yogata K., Hatakeda K., Nakato A., Nishimura M., Nagashima K., Kumagai K., Hitomi Y., Soejima H., Tahara R., Kanemaru R., Nakano A., Yoshitake M., Iwamae A., Furuya S., Tsuchiyama A., Tachibana S., Michikami T., Okada T., Abe M. and Usui T.
  • Journal Title: Earth, Planets and Space Volume: 75 Pages: 171
  • DOI: 10.1111/maps.14068
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Phyllosilicates with embedded Fe-based nanophases in Ryugu and Orgueil (2023)
  • Author(s): Leroux H., Le Guillou C., Marinova M., Laforet S., Viennet J.-C., Mouloud B.-E., Teurtrie A., de la Pe_a F., Jacob D., Hallatt D., Fernandez M. P., Troadec D., Noguchi T., Matsumoto T., Miyake A., …, Tsuchiyama A. (48th author), …. Mastumoto M. (61st author) et al.
  • Journal Title: Meteoritics & Planetary Science Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1111/maps.14101
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Four-dimensional-STEM analysis of the phyllosilicate-rich matrix of Ryugu samples (2023)
  • Author(s): Noguchi T., Matsumoto T., Miyake A., Igami Y., Haruta M., Saito H., Hata S., Seto Y., Miyahara M., Tomioka N., Ishii H. A., Bradley J. P., Ohtaki K. K., Dobric_ E., Leroux H., Le Guillou C., …, Tsuchiyama A. (51st author), …. Mastumoto M. (64h author) et al.
  • Journal Title: Meteoritics & Planetary Science Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1111/maps.14124
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Formulating Compressive Strength of Dust Aggregates from Low to High Volume Filling Factors with Numerical Simulations (2023)
  • Author(s): Tatsuuma, M., Kataoka, A., Okuzumi, S., Tanaka, H.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 953 Pages: 6
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acdf43
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Size Dependence of the Bouncing Barrier in Protoplanetary Dust Growth (2023)
  • Author(s): Arakawa, S., Okuzumi, S., Tatsuuma, M., Tanaka, H., Kokubo, E., Nishiura, D., Furuichi, M., Nakamoto, T.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 951 Pages: L16
  • DOI: 10.3847/2041-8213/acdb5f
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structured Distributions of Gas and Solids in Protoplanetary Disks (2023)
  • Author(s): Bae, J., Isella, A., Zhu, Z., Martin, R., Okuzumi, S., Suriano, S.
  • Journal Title: Protostars and Planets VII Volume: 534 Pages: 423
  • DOI: 10.48550/arXiv.2210.13314
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Roles of Dust Growth in the Temperature Evolution and Snow Line Migration in Magnetically Accreting Protoplanetary Disks (2023)
  • Author(s): Kondo, K., Okuzumi, S., Mori, S.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 949 Pages: 119
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acc840
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The impact of dust evolution on the dead zone outer edge in magnetized protoplanetary disks (2023)
  • Author(s): Delage, T. N., Garate, M., Okuzumi, S., Yang, C.-C., Pinilla, P., Flock, M., Stammler, S. M., Birnstiel, T.
  • Journal Title: Astronomy and Astrophysics Volume: 674 Pages: A190
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202244731
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of 3D Crystal Shape Description Including Orientation Using XnCT and TEM and Its Application to Ryugu Sample (2024)
  • Author(s): H. Ono, A. Tsuchiyama, M. Matsumoto, A. Miyake, J. Matsuno, T. Nakamura, M. Yasutake, K. Uesugi, A. Takeuchi, S. Tachibana
  • Organizer: 55th Lunar and Planetary Science Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Characterization of Early Solar System Aqueous Fluids in Extraterrestrial Samples (2024)
  • Author(s): M. Zolensky, R. Bodnar, A. Dolocan, J. Han, R. Hanna, I. Gearba, Q. H. S. Chan, T. Ireland, C. Goodrich, M. Matsumoto, A. Tsuchiyama, L. Le
  • Organizer: 55th Lunar and Planetary Science Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Microstructural and chemical analyses of impact melt splashes on Ryugu particle surfaces (2023)
  • Author(s): 淳也、土`山 明、中村 智樹、榎戸 祐馬、安武 正展、上杉 健太朗、竹内 晃久、延寿 里美、奥村 翔太、三津川 到、スン ミンチー、三宅 亮、圦本 尚義、野口 高明、岡崎 隆司、薮田 ひかる、坂松本 恵、松野本 佳奈子、橘 省吾、渡辺 誠一郎、津田 雄一
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2023年大会
• [Presentation] Phase transition of glassy forsterite in contact with liquid water (2023)
  • Author(s): 大峯 歩、平澤 英寿、橘 省吾、山本 大貴、土`山 明、渡邉 友亮、深澤 倫子
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2023年大会
• [Presentation] ペブル同士の衝突付着による接触面半径の解析モデルと付着N体計算との比較 (2023)
  • Author(s): 辰馬未沙子, 奥住聡, 片岡章雅, 田中秀和
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2023年大会
• [Presentation] 原始惑星系円盤内側領域の温度・密度構造の共進化 (2023)
  • Author(s): 加藤遼, 奥住聡
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2023年大会
• [Presentation] 原始惑星系円盤内側領域への揮発性元素輸送と木星形成 (2023)
  • Author(s): 中澤風音, 奥住聡
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2023年大会
• [Presentation] 磁気的に降着する原始惑星系円盤でのスノーライン移動と岩石微惑星形成 (2023)
  • Author(s): 近藤克, 奥住聡, 森昇志
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2023年大会
• [Presentation] 放射光X線CTを用いたDaG999ユレイライト中炭素粒子の内部構造観察 (2023)
  • Author(s): 安武 正展、松本 恵、松野 淳也、土`山 明、上杉 健太朗、竹内 晃久
  • Organizer: 日本鉱物科学会2023年年会
• [Presentation] はやぶさ2リターンサンプル表面の微隕石衝突メルトとマイクロクレータの ナノCT・TEM分析 (2023)
  • Author(s): 松本 恵、松野 淳也、土`山 明、中村 智樹、榎戸 祐馬、菊入 瑞葉、安武 正展、上杉 建太朗、竹内 晃久、延寿 里美、奥村 翔太、三津川 到、スン ミンチー、三宅 亮、はやぶさ2 初期分析コアチーム
  • Organizer: 日本鉱物科学会2023年年会
• [Presentation] 隕石と小惑星リターンサンプルの分析から読み解く太陽系小天体の起源と進化 (2023)
  • Author(s): 松本恵
  • Organizer: 神山天文台天文講座
  • Invited
• [Presentation] 放射光X線CTを活用したはやぶさ2リターンサンプルの複合分析 (2023)
  • Author(s): 松本恵
  • Organizer: 第3回SPring-8放射光利用技術研究会/第91回SPring-8先端利用技術ワークショップ「放射光複合分析」
  • Invited
• [Presentation] Coupled evolution of the dust and shadow around the snow line in protoplanetary disks (2023)
  • Author(s): Satoshi Okuzumi, Ayumi Ono, Takahiro Ueda, Neal Turner
  • Organizer: Protostars and Planets VII
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 巨大惑星がつくる密度波による原始惑星系円盤の衝撃波加熱 (2023)
  • Author(s): 岡村龍樹, 小野智弘, 奥住聡, 武藤恭之
  • Organizer: 日本天文学会2023年秋季年会
• [Presentation] 円盤形成段階でのガス・ダスト進化による同位体空間不均質の形成 (2023)
  • Author(s): 本間和明, 奥住聡, 荒川創太, 深井稜汰
  • Organizer: 日本天文学会2023年秋季年会
• [Presentation] 磁気的に降着する原始惑星系円盤でのスノーライン移動と岩石微惑星形成 (2023)
  • Author(s): 近藤克, 奥住聡, 森昇志
  • Organizer: 日本天文学会2023年秋季年会
• [Presentation] 原始惑星系円盤内側領域における揮発性元素濃縮とガス惑星形成 (2023)
  • Author(s): 中澤風音, 奥住聡
  • Organizer: 日本天文学会2023年秋季年会
• [Presentation] 太陽系円盤形成段階のガス・ダスト進化による同位体不均質の形成・維持 (2023)
  • Author(s): 本間和明, 奥住聡, 荒川創太, 深井稜汰
  • Organizer: 日本惑星科学会2023年秋季講演会
• [Presentation] 超高解像トモグラフィ・3D レンダリング技術を用いたアエンデ隕石中の難揮発性凝縮物の形状観察 (2023)
  • Author(s): 増田雄樹, 竹田裕介, 深井稜汰, 伊庭靖弘, 笹木慎太郎, 池上森, 臼井寛裕, 奥住聡, 荒川創太
  • Organizer: 日本惑星科学会2023年秋季講演会
• [Presentation] 原始惑星系円盤の表層ガス降着が駆動する微惑星形成 (2023)
  • Author(s): 奥住聡
  • Organizer: 日本惑星科学会2023年秋季講演会
• [Presentation] 巨大惑星付近の原始惑星系円盤の熱構造 (2023)
  • Author(s): 奥住聡
  • Organizer: 新学術領域「星・惑星形成」2023年度大研究会
• [Presentation] Planetesimal formation driven by the surface gas accretion in protoplanetary disks (2023)
  • Author(s): Satoshi Okuzumi
  • Organizer: Magnetohydrodynamical flows in young circumstellar disks
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thermal evolution of protoplanetary disks (2023)
  • Author(s): Satoshi Okuzumi
  • Organizer: Exoplanets & Planet Formation Workshop 2023
  • Int'l Joint Research / Invited