イトカワ粒子から探る新しい小惑星の描像

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24244086
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 土山 明 京都大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (90180017)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Keywords: はやぶさ計画 / 宇宙風化 / 太陽風 / レゴリス / 小天体衝突 / アポロ計画 / ３次元構造 / X線CT

Research Abstract

はやぶさ計画により小惑星イトカワ表面から採取されたレゴリス粒子について、これまでの分析した48粒子に加えて、国際公募分析で採択されたものなど34粒子について、放射光マイクロX線CTにより３次元外形と内部組織（鉱物の３次元分布）を求めた。また、アポロ計画により採取された月のレゴリス粒子についても、高地（アポロ16号）の70粒子および海（アポロ11号）の72粒子について、同様の手法で３次元構造を求めた。さらに、隕石模擬物質をターゲットとした高速衝突実験をおこない、回収した破片粒子についても同様に３次元外形をもとめた。これらの粒子形状（３軸比）分布は、衝突実験粒子・イトカワ粒子・月粒子の順に連続的に球状に向かう変化を示し、イトカワ・月粒子の形状が摩耗と破壊に支配され、丸くなったものと解釈できるようになった。
一方、一部のサンプルについては、昨年度に引き続きFE-SEMによる粒子表面の微細構造観察をおこなった。イトカワ粒子について、破断面の特徴（鉱物の破断面あるいは空隙の壁面）および破断後の摩耗の程度により、表面構造を分類することができた。また、太陽風（とくにHe）の照射による宇宙風化リムを表面観察により識別できることを、イトカワ・月粒子について示し、粒子表面における宇宙風化リムの不均一な分布から、レゴリス最表層での粒子運動の情報が得られることを示した。さらに、太陽風打ち込みを模擬したイオン照射実験による宇宙風化リム生成のタイムスケール評価も引き続きおこなった。
以上の結果により、イトカワ表面では、太陽風打ち込みによる宇宙風化が1000～10000年程度で進むと同時に、より長いタイムスケールで小天体衝突による粒子破壊と粒子運動による機械的摩耗がおこることにより、実際の宇宙風化は比較的ゆっくりと進むという描像を具体的に描くことができるようになった。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

イトカワ粒子のFE-SEMによる表面微細構造観察により、（1）マイクロCTにより比較的低い空間分解能（>数100 nm）の観察をもとにこれまで主張していた粒子の摩耗が、より高空間分解能（約10 nm）でも確認されるとともに、（2）切断した粒子断面についてTEMを用いること（空間分解能：<1 nm）によってしか観察できなかった宇宙風化リムが、非破壊で確認できるようになった。このように、摩耗や宇宙風化リム生成という小惑星をはじめとする大気のない天体表面でレゴリス粒子におこる宇宙風化プロセスを、広い空間分解能でシームレスに観察することに成功した。
一方、イトカワ粒子だけでなく、人類が地球以外の天体から採取したもうひとつのレゴリスサンプルである月粒子や、また高速衝突実験破片粒子についても、マイクロCTにより測定した３次元形状を比較することにより、大気のない天体表面での粒子破壊・摩耗プロセスを包括的に議論できるようになった。
上記の粒子表面構造観察と粒子形状解析という２つの手法により、少なくともイトカワ表面では、(a)微小天体衝突により形成されたレゴリス粒子が、(b)太陽風粒子の打ち込みによる宇宙風化リムの生成（～103-104年）、(c)地震波に誘起された粒子運動による粒子の摩耗（>1000-1000年）、(d)衝突による新しい粒子表面の生成（>1000-10000年）という複合的なプロセスを受け、宇宙風化が進行していくことわかった。このように、宇宙風化がどのように進行していくかという具体的な描像が得られ、小惑星の反射スペクトル観測から得られる小惑星の進化との比較が可能となった。微小で微量なイトカワサンプルから得られた今回の成果は、天文観測結果の解釈へも波及し、期待以上のものと云える。

Strategy for Future Research Activity

今後は、以下のような研究を進めることにより、イトカワと比べて長時間宇宙風化を受けている月を含めた、大気のない天体表面での宇宙風化プロセスについて、独自に求めたタイムスケールとともに、統一的な理解を目指す。
（1）イトカワ粒子については、CT, SEM, TEMによる粒子表面構造観察をさらにすすめ、観察事例を増やす。（2）月粒子については、これまで不十分であった粒子表面構造観察を、TEM観察を含めて総合的におこない、イトカワ粒子との比較をおこなう。（3）可能であれば、イオンプローブトモグラフィーにより、宇宙風化リムの原子レベルでの元素分布の３次元構造を明らかにし、宇宙風化リム生成メカニズムを詳細に理解する。（4）太陽風照射を模擬したイオン注入実験をさらにすすめ、宇宙風化リム生成条件の理解と、そのタイムスケールの直接的な推定を目指す。（5）地震波に誘起された粒子運動を模擬した粒子摩耗実験を開始し、摩耗の具体的なプロセスの理解と、そのタイムスケールの直接的な推定を目指す。（6）表面観察した粒子の希ガス同位体分析をおこない、太陽風照射のタイムスケールを直接的に推定する。（7）可能であればレゴリス層を想定した粒子集合体への高速衝突実験をおこない、その３次元形状をこれまでのデータと比較し、レゴリス生成の詳細プロセスの解明を目指す。（8）また、粒子表面に取り込まれた外来物質（炭素質物質や塩化物など）の分析をすすめ、イトカワ表面に落下するユニークな物質の特徴を明らかにする。

Research Products

• [Journal Article] Three-dimensional microstructure of samples recovered from asteroid 25143 Itokawa: comparison with LL5 and LL6 chondrite particles. (2014)
  • Author(s): A. Tsuchiyama, M. Uesugi, K. Uesugi, T. Nakano, R. Noguchi, T. Matsumoto, J. Matsuno, T. Nagano, Y. Imai, A. Shimada, A. Takeuchi, Y. Suzuki, T. Nakamura, T. Noguchi, M. Abe, T. Yada, A. Fujimura
  • Journal Title: Meteoritics & Planetary Science Volume: 49 Pages: 172-187
  • DOI: 10.1111/maps.12177
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Space weathered rims found on the surfaces of the Itokawa dust particles. (2014)
  • Author(s): T. Noguchi, M. Kimura, T. Hashimoto, M. Konno, T. Nakamura, M. E. Zolensky, R. Okazaki, M. Tanaka, A. Tsuchiyama, A. Nakato, T. Ogami, H. Ishida, R. Sagae, S. Tsujimoto, T. Matsumoto, J. Matsuno, A. Fujimura, M. Abe, T. Yada, T. Mukai, M. Ueno, T. Okada, K. Shirai, Y. Ishibashi
  • Journal Title: Meteoritics & Planetary Science Volume: 49 Pages: 188-214
  • DOI: 10.1111/maps.12111
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mineral chemistry of MUSES-C Regio inferred from analysis of dust particles collected from the first and second touchdown sites on asteroid Itokawa. (2014)
  • Author(s): Nakamura T., Nakato A., Ishida H., Wakita S., Noguchi T., Zolensky M. E., Tanaka M., Kimura M., Tsuchiyama A., Ogami T., Hashimoto T., Konnno M. Uesugi M., Yada T., Shirai K., Fujimura A., Okazaki R., Sandford S. A., Ishibashi Y., Abe M., Okada T., Ueno M., and Kawaguchi J.
  • Journal Title: Meteoritics & Planetary Science Volume: 49 Pages: 214-227
  • DOI: 10.1111/maps.12247
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Asteroid Itokawa: A source of ordinary chondrites and a laboratory for surface processes. (2014)
  • Author(s): A. Tsuchiyama
  • Journal Title: Elements Volume: 10 Pages: 40-50
  • DOI: 10.2113/gselements.10.1.45
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Experiments on the consolidation of chondrites and the formation of dense rims around chondrules. (2013)
  • Author(s): E. Beitz, C. Guttler, A.M. Nakamura, A. Tsuchiyama, J. Blum
  • Journal Title: Icarus Volume: 225 Pages: 558-569
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2013.04.028
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Analytical dual-energy microtomography: A new method for obtaining three-dimensional mineral phase images and its application to Hayabusa samples. (2013)
  • Author(s): A. Tsuchiyama, T. Nakano, K. Uesugi, M. Uesugi, A. Takeuchi, Y. Suzuki, R. Noguchi, T. Matsumoto, J. Matsuno, T. Nagano, Y. Imai, T. Nakamura, T. Ogami, T. Noguchi, M. Abe, T. Yada, A. Fujimura
  • Journal Title: Geochimica et Cosmochimica Acta Volume: 116 Pages: 5-16
  • DOI: 10.1016/j.gca.2012.11.036
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Three-dimensional observation and morphological analysis of organic nanoglobules in a carbonaceous chondrite using X-ray micro-tomography. (2013)
  • Author(s): T. Matsumoto, A. Tsuchiyama, K. Nakamura-Messenger, T. Nakano, K. Uesugi, A. Takeuchi, and M. E. Zolensky
  • Journal Title: Geochimica et Cosmochimica Acta, Volume: 116 Pages: 84-95
  • DOI: 10.1016/j.gca.2012.05.007
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Three-dimensional observation of carbonaceous chondrites by synchrotron radiation X-ray CT - Quantitative analysis and developments for the future sample return missions. (2013)
  • Author(s): M. Uesugi, K. Uesugi, A. Takeuchi, Y. Suzuki, M. Hoshino, A. Tsuchiyama
  • Journal Title: Geochimica et Cosmochimica Acta Volume: 116 Pages: 17-32
  • DOI: 10.1016/j.gca.2012.09.025
  • Peer Reviewed
• [Presentation] GEMS-like grains produced by condensation experiment. (2014)
  • Author(s): J. Matsuno, A. Tsuchiyama, J. Noda, M. Tanaka, T. Watanabe, C. Koike and H. Chihara
  • Organizer: Lunar Planet. Sci., XLV, Abstract #1335
  • Place of Presentation: Woodlands, Texas, USA
  • Year and Date: 20140317-20140321
• [Presentation] Laboratory simulation of solar wind implantation on hydrated silicate minerals. (2014)
  • Author(s): Y. Nakauchi1, M. Abe, A. Tsuchiyama, K. Kitazato, K.Yasuda
  • Organizer: Lunar Planet. Sci., XLV, Abstract #2004
  • Place of Presentation: Woodlands, Texas, USA
  • Year and Date: 20140317-20140321
• [Presentation] カンラン岩ターゲットへの高速度衝突により放出される破片の3次元形状分布 (2013)
  • Author(s): 島田玲、土`山明、荒川政彦、道上達広、門野敏彦、松島亘志、中野司
  • Organizer: 日本惑星科学会2013年度秋季講演会
  • Place of Presentation: 石垣市
  • Year and Date: 20131120-20131122
• [Presentation] 衝突エネルギー密度と玄武岩衝突破片の形状分布 (2013)
  • Author(s): 道上達広、島田玲、土`山明、吉田明史、濱田貴大、長谷川直
  • Organizer: 日本惑星科学会2013年度秋季講演会
  • Place of Presentation: 石垣市
  • Year and Date: 20131120-20131122
• [Presentation] アポロ試料粒子形状を用いた月表面での影隠し衝効果のシミュレーション (2013)
  • Author(s): 丸山薫, 佐伯和人, 片桐淳, 松島亘志, 大竹真紀子, 土`山明
  • Organizer: 日本惑星科学会2013年度秋季講演会
  • Place of Presentation: 石垣市
  • Year and Date: 20131120-20131122
• [Presentation] Spherical silicate particles as analogues of circumstellar dust: IR spectral features and crystallization kinetics. (2013)
  • Author(s): A. Tsuchiyama, Y. Imai, H. Chihara, C. Koike, J. Matsuno
  • Organizer: The Life Cycle of Dust in the Universe
  • Place of Presentation: Taipei, Taiwan
  • Year and Date: 20131118-20131122
• [Presentation] Amorphous silicate dust formed by condensation experiments: a key to GEMS formation process. (2013)
  • Author(s): J. Matsuno, A. Tsuchiyama, C. Koike, H. Chihara, J. Noda, M. Tanaka and T. Watanabe
  • Organizer: The Life Cycle of Dust in the Universe
  • Place of Presentation: Taipei, Taiwan
  • Year and Date: 20131118-20131122
• [Presentation] Cathodoluminescence microscopy and spectroscopy of a plagioclase particle from asteroid Itokawa: Results of a preliminary investigation. (2013)
  • Author(s): A. Gucsik, T. Nakamura, H. Nishido, K. Ninagawa, Y. Kimura, M. Kayama, A. Tsuchiyama, S. Berczi and A. Kereszturi
  • Organizer: The 4th Symposium on Polar Science, , November 12-15, 2013
  • Place of Presentation: NIPR, Tachkawa, Japan
  • Year and Date: 20131112-20131115
• [Presentation] A CONSORTIUM STUDY FOR THE LARGEST PARTICLE OF THE HAYABUSA-RETURNED SAMPLES. (2013)
  • Author(s): M. Uesugi, T. Yada, Y. Karouji, Y. Ishibashi, T. Okada, M. Abe and A. Tsuchiyama.
  • Organizer: HAYABUSA 2013: Symposium of Solar System Materials
  • Place of Presentation: JAXA, Sagamihara, Japan
  • Year and Date: 20131016-20131018
• [Presentation] BULK CHEMICAL COMPOSITIONS OF TINY GRAINS RECOVERED BY THE HAYABUSA SPACECRAFT - A NAA STUDY (2013)
  • Author(s): M. Ebihara, N. Shirai, S. Sekimoto, T. Nakamura, A. Tsuchiyama, J. Matsuno, T. Matsumoto, Abe, A. Fujimura, Y. Ishibashi, Y. Karouji, T. Mukai, T. Okada, M. Uesugi and T. Yada
  • Organizer: HAYABUSA 2013: Symposium of Solar System Materials
  • Place of Presentation: JAXA, Sagamihara, Japan
  • Year and Date: 20131016-20131018
  • Invited
• [Presentation] Surface morphology of Itokawa regolith particles related to space weathering on Itokawa. (2013)
  • Author(s): T. Matsumoto, A. Tsuchiyama, A. Miyake, K. Yasuda, N. Watanabe, A. Kouchi, A. Takigawa, T. Noguchi, Y. Nakata, T. Nakamura, J. Matsuno, A. Shimada
  • Organizer: HAYABUSA 2013: Symposium of Solar System Materials
  • Place of Presentation: JAXA, Sagamihara, Japan
  • Year and Date: 20131016-20131018
  • Invited
• [Presentation] RECENT PROGRESS IN HAYABUSA SAMPLE ANALYSIS ON 3D MICROSTRUCTURE AND SURFACE MORPHOLOGY: COMPARISON WITH LL CHONDRITE AND PROCESSES ON THE ASTEROID SURFACE. (2013)
  • Author(s): A. Tsuchiyama, T. Matsumoto, K. Uesugi, T. Nakano, M. Uesugi, J. Matsuno, A. Shimada, A. Takeuchi, Y. Suzuki, T. Nakamura, T. Noguchi, M. Abe, T. Yada, Y. Karouji, Y. Ishibashi, K. Shirai, T. Okada, A. Fujimura
  • Organizer: HAYABUSA 2013: Symposium of Solar System Materials
  • Place of Presentation: JAXA, Sagamihara, Japan
  • Year and Date: 20131016-20131018
  • Invited
• [Presentation] OUTLINE OF HAYABUSA SAMPLE PRELIMINARY EXAMINATION RESULTS. (2013)
  • Author(s): A. Tsuchiyama, T. Nakamura, H. Yurimoto, M. Ebihara, T. Noguchi, K. Nagao, H. Naraoka, F. Kitajima, T. R. Ireland, S. A. Sandford, M. E. Zolensky, M. Abe, T. Okada, T. Yada, Y. Ishibashi, Y. Karouji, M. Uesugi, and HAYABUS sample preliminary examination team members.
  • Organizer: HAYABUSA 2013: Symposium of Solar System Materials
  • Place of Presentation: JAXA, Sagamihara, Japan
  • Year and Date: 20131016-20131018
  • Invited
• [Presentation] SYLVITE AND HALITE CRYSTALS ON AN ITOKAWA PARTICLE: SALTS ON ITOKAWA? (2013)
  • Author(s): T. Noguchi, M. Kimura, T. Hashimoto, M. Konno, T. Nakamura, M. E. Zolensky, A. Tsuchiyama, T. Matsumoto, J. Matsuno, R. Okazaki, M. Uesugi, Y. Karouji, T. Yada, Y. Ishibashi, K. Shirai, M. Abe, and T. Okada
  • Organizer: HAYABUSA 2013: Symposium of Solar System Materials
  • Place of Presentation: JAXA, Sagamihara, Japan
  • Year and Date: 20131016-20131018
  • Invited
• [Presentation] EVALUATION OF MODAL ABUNDANCES OF ITOKAWA PARTICLES. (2013)
  • Author(s): T. Yada, M. Uesugi, Y. Karouji, Y. Ishibashi, M. Abe, T. Okada, S. Yakame, A. Tsuchiyama
  • Organizer: HAYABUSA 2013: Symposium of Solar System Materials
  • Place of Presentation: JAXA, Sagamihara, Japan
  • Year and Date: 20131016-20131018
  • Invited
• [Presentation] 地球外物質の非破壊放射光分析の現状と将来 (2013)
  • Author(s): 土`山 明
  • Organizer: 日本鉱物科学会2013年年会
  • Place of Presentation: 筑波大学
  • Year and Date: 20130911-20130913
  • Invited
• [Presentation] 高温ガスの凝縮実験によるGEMSの再現：７元素系におけるO/Si比の検討 (2013)
  • Author(s): 松野淳也、土`山明、野田淳、八木下将史、渡辺隆行
  • Organizer: 日本鉱物科学会2013年年会
  • Place of Presentation: 筑波大学
  • Year and Date: 20130911-20130913
• [Presentation] 浮遊加熱法によるコンドライト模擬物質の溶融急冷組織 (2013)
  • Author(s): 瀬戸 雄介, 市村 隼, 松野 淳也, 土`山 明, 三宅 亮, 高橋 竜平, 小原 真司
  • Organizer: 日本鉱物科学会2013年年会
  • Place of Presentation: 筑波大学
  • Year and Date: 20130911-20130913
• [Presentation] コーディエライト三連晶類似結晶のメルトからの合成 (2013)
  • Author(s): 田邊朋子、大井修吾、土`山明、下林典正、三宅亮
  • Organizer: 日本鉱物科学会2013年年会
  • Place of Presentation: 筑波大学
  • Year and Date: 20130911-20130913
• [Presentation] 大気のない天体のレゴリス粒子の３次元形状分布：小惑星イトカワと月の比較 (2013)
  • Author(s): 土`山明、松島亘志、中野司、道上達広、上杉健太朗、竹内晃久、鈴木芳生、松本徹、島田玲、松野淳也、門野敏彦、大竹真紀子
  • Organizer: 日本鉱物科学会2013年年会
  • Place of Presentation: 筑波大学
  • Year and Date: 20130911-20130913
• [Presentation] カンラン岩ターゲットへの高速度衝突により放出される破片の3次元形状分布 (2013)
  • Author(s): 島田玲、土`山明、荒川政彦、道上達広、松島亘志
  • Organizer: 日本鉱物科学会2013年年会
  • Place of Presentation: 筑波大学
  • Year and Date: 20130911-20130913
• [Presentation] Ion irradiation experiments to olivine: Comparison with space weathering rims of Itokawa and lunar regolith particles. (2013)
  • Author(s): T. MATSUMOTO, A. TSUCHIYAM , A. TAKIGAWA, K.YASUDA , Y. NAKATA, N. WATANABE, A, KOUCHI, M. NAKAMURA, A. MIYAKE AND M. OHTAKE
  • Organizer: Goldschmidt2013 Conference
  • Place of Presentation: Firenze, Italy
  • Year and Date: 20130825-20130830
• [Presentation] Low core-mantle boundary temperature inferred from the solidus of pyrolite. (2013)
  • Author(s): R. NOMURA, K. HIROSE, K. UESUGI, Y. OHISHI AND A. TSUCHIYAMA
  • Organizer: Goldschmidt2013 Conference
  • Place of Presentation: Firenze, Italy
  • Year and Date: 20130825-20130830
• [Presentation] CSD, crystal shape and connectivity in synthetic basalt from 3D reconstruction by X-ray CT image. (2013)
  • Author(s): E. OTSU PUPIER, B. DARDE, L. MONNIER, M. NAKAMURA, S. OKUMURA, A. TSUCHIYAMA、M. UESUGI AND K. UESUGI
  • Organizer: Goldschmidt2013 Conference
  • Place of Presentation: Firenze, Italy
  • Year and Date: 20130825-20130830
• [Presentation] 3D shapes of regolith particles: comparison between Itokawa and Moon. (2013)
  • Author(s): A. TSUCHIYAMA, T. MATSUSHIMA, T. MATSUMOTO, T. NAKANO, D. AMEMIYA, J. MATSUNO, T. NAGANO, A. SHIMADA, K. UESUGI, A. TAKEUCHI, Y. SUZUKI AND M. OHTAKE
  • Organizer: Goldschmidt2013 Conference
  • Place of Presentation: Firenze, Italy
  • Year and Date: 20130825-20130830
• [Presentation] 非晶質MgSiO3 の加熱における構造変化：水の役割 (2013)
  • Author(s): 松野淳也, 土`山明, 小池千代枝, 茅原弘毅, 小原真司, 北島義典, 吉朝朗, 瀬戸雄介, 高橋竜平, 今井悠太, 村田敬介
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2013年大会
  • Place of Presentation: 千葉市幕張メッセ
  • Year and Date: 20130519-20130524
• [Presentation] Mg/Si 比を変えたMgO-SiO2 系非晶質珪酸塩の水質変成実験 (2013)
  • Author(s): 高橋竜平, 土`山明, 松野淳也, 瀬戸雄介
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2013年大会
  • Place of Presentation: 千葉市幕張メッセ
  • Year and Date: 20130519-20130524
• [Presentation] 日本海東縁の表層ガスハイドレートのX線CT による3 次元観察 (2013)
  • Author(s): 谷篤史, 中沢大樹, Hailong Lu, 土`山明, 松本良
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2013年大会
  • Place of Presentation: 千葉市幕張メッセ
  • Year and Date: 20130519-20130524
• [Presentation] J-PARC(MUSE) ミュオンビームを用いた地球惑星試料分析の実用化に向けて (2013)
  • Author(s): 寺田健太郎, 二宮和彦, 大澤崇人, 橘省吾, 三宅康博, 久保謙哉, 河村成肇, 髭本亘, 上椙真之, 土`山明, 海老原充
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2013年大会
  • Place of Presentation: 千葉市幕張メッセ
  • Year and Date: 20130519-20130524
• [Presentation] 大気のない天体でのレゴリス粒子の摩耗：イトカワと月レゴリスの比較 (2013)
  • Author(s): 土`山明, 松島亘志, 松本徹, 中野司, 雨宮大樹, 松野淳也, 永野宗, 島田玲, 上杉健太朗, 竹内晃久, 鈴木芳生, 大竹真紀子
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2013年大会
  • Place of Presentation: 千葉市幕張メッセ
  • Year and Date: 20130519-20130524
• [Remarks] 京都大学大学院地球惑星科学専攻鉱物学講座
  • URL: http://www.kueps.kyoto-u.ac.jp/~web-min/index.php?content=index