太陽型から地球型への星間ダストの変身

• 研究課題/領域番号: 19H00712
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 中区分17:地球惑星科学およびその関連分野
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 橘 省吾 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (50361564)
• 研究分担者: 瀧川 晶 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (10750367) ; 川崎 教行 北海道大学, 理学研究院, 准教授 (50770278) ; 圦本 尚義 北海道大学, 理学研究院, 教授 (80191485)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 43,940千円 (直接経費: 33,800千円、間接経費: 10,140千円); 2022年度: 9,100千円 (直接経費: 7,000千円、間接経費: 2,100千円); 2021年度: 9,100千円 (直接経費: 7,000千円、間接経費: 2,100千円); 2020年度: 10,010千円 (直接経費: 7,700千円、間接経費: 2,310千円); 2019年度: 15,730千円 (直接経費: 12,100千円、間接経費: 3,630千円)
• キーワード: 原始惑星系円盤 / 非晶質ケイ酸塩 / ダスト / 酸素同位体 / 反応速度論 / 原始太陽系 / 太陽系

研究開始時の研究の概要

太陽系の原材料となったダストは，太陽より前世代の恒星周囲でつくられたダストや，星間空間で破壊され，再生産されたダストと考えられる．これら太陽系原材料となった「太陽型ダスト（恒星周ダストと星間再生産ダスト）」が，太陽系最初期にガスとの酸素同位体交換を経て，地球や隕石の材料である「地球型ダスト」へと変身する過程に注目する．(1) ダストとガスとの酸素同位体交換反応に必要な原始太陽系円盤の物理化学条件を実験より定量的に決定する．(2) 隠された太陽系原材料物質を始原隕石中に発見することにより (1) の過程の証明をめざす．

研究成果の概要

非晶質ケイ酸塩ダストと円盤ガスとの酸素同位体交換速度の温度依存性と反応メカニズムを低圧実験で決定した．非晶質ケイ酸塩ダストと円盤ガスとの酸素同位体交換は，ダスト中の拡散が律速することが明らかとなった．定常降着する原始惑星系円盤内を運動するダストの化学反応が効果的に起こる温度を予測する理論式を構築し，サブミクロンサイズの非晶質ケイ酸塩ダストの酸素同位体交換温度を決定した．フォルステライト・エンスタタイト・かんらん石組成の非晶質ケイ酸塩ダストについて，650-800，750-900，500-600 Kで同位体交換が完了し，太陽型ダストの酸素同位体組成が地球型ダストへと進化することが明らかとなった．

研究成果の学術的意義や社会的意義

地球や月，火星，小惑星の構成物質の酸素同位体組成は，太陽とは異なり，太陽と同じ酸素同位体組成をもつ太陽系初期ダストが，原始惑星系円盤ガスと酸素同位体交換を起こし，地球型の酸素同位体に変化したと考えられている，本研究では，実験で非晶質ケイ酸塩ダストと円盤ガスとの酸素同位体交換速度を求めた．また，原始惑星系円盤でダストの化学反応が効率的に起こる温度を決定する理論式を構築し，フォルステライト・エンスタタイト・かんらん石組成の非晶質ケイ酸塩ダストについて，それぞれ 650-800，750-900，500-600 K で酸素同位体交換が完了し，太陽型ダストが地球型ダストへと進化しうることがわかった．

研究成果

• [国際共同研究] シカゴ大学(米国)
• [雑誌論文] Samples returned from the asteroid Ryugu are similar to Ivuna-type carbonaceous meteorites (2023)
  • 著者名/発表者名: Yokoyama Tetsuya、Nagashima Kazuhide、Nakai Izumi、Young Edward D.、Abe Yoshinari、Aleon Jerome、Alexander Conel M. O’D.、Amari Sachiko、Amelin Yuri、Bajo Ken-ichi ... Yabuta Hikaru ... et al.
  • 雑誌名: Science 巻: 379 号: 6634 ページ: 7850-7850
  • DOI: 10.1126/science.abn7850
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Oxygen isotope exchange kinetics between CAI melt and carbon monoxide gas: Implication for CAI formation in the earliest Solar System (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Daiki、Kawasaki Noriyuki、Tachibana Shogo、Kamibayashi Michiru、Yurimoto Hisayoshi
  • 雑誌名: Geochimica et Cosmochimica Acta 巻: 336 ページ: 104-112
  • DOI: 10.1016/j.gca.2022.09.006
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Oxygen isotopes of anhydrous primary minerals show kinship between asteroid Ryugu and comet 81P/Wild2 (2022)
  • 著者名/発表者名: Kawasaki Noriyuki、Nagashima Kazuhide、Sakamoto Naoya、Matsumoto Toru、Bajo Ken-ichi、Wada Sohei、Igami Yohei、Miyake Akira、Noguchi Takaaki、Yamamoto Daiki ... Yabuta Hikaru ... et al.
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 8 号: 50 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1126/sciadv.ade2067
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] An experimental study on oxygen isotope exchange reaction between CAI melt and low-pressure water vapor under simulated Solar nebular conditions. (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto, D., Kawasaki, N., Tachibana, S., Kamibayashi, M. and Yurimoto, H.
  • 雑誌名: Geochim. Cosmochim. Acta 巻: 314 ページ: 108-120
  • DOI: 10.1016/j.gca.2021.09.016
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Transmission Electron Microscopy Study of the Morphology of Ices Composed of H2O, CO2, and CO on Refractory Grains (2021)
  • 著者名/発表者名: Kouchi, A., Tsuge, M., Hama, T., Oba, Y., Okuzumi, S., Sirono, S.-. iti ., Momose, M., Nakatani, N., Furuya, K., Shimonishi, T., Yamazaki, T., Hidaka, H., Kimura, Y., Murata, K.-. ichiro ., Fujita, K., Nakatsubo, S., Tachibana, S., & Watanabe, N.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 918 号: 2 ページ: 45-45
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac0ae6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effect of hydrogen gas pressure on calcium-aluminum-rich inclusion formation in the protosolar disk: A laboratory simulation of open-system melt crystallization. (2021)
  • 著者名/発表者名: Kamibayashi, M., Tachibana, S., Yamamoto, D., Kawasaki, N. and Yurimoto, H.
  • 雑誌名: Astrophys. J. Lett. 巻: 923 号: 1 ページ: L12-L12
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ac3c41
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Numerical modeling of medium-speed impacts on a granular surface in a low-gravity environment Application to Hayabusa2 sampling mechanism. (2019)
  • 著者名/発表者名: Thuillet F., Michel P., Tachibana S., Ballouz R.L. and Schwartz S. R.
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 491 号: 1 ページ: 153-177
  • DOI: 10.1093/mnras/stz3010
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effect of Structural Dynamical Property of Melt on Water Diffusion in Rhyolite Melt (2019)
  • 著者名/発表者名: Kuroda M. and Tachibana S
  • 雑誌名: ACS Earth Space Chem. 巻: 3 号: 9 ページ: 2058-2062
  • DOI: 10.1021/acsearthspacechem.9b00133
  • 査読あり
• [雑誌論文] Low thermal conductivity boulder with high porosity identified on C-type asteroid (162173) Ryugu (2019)
  • 著者名/発表者名: Grott M.、Knollenberg J.、Yano, H., et al.
  • 雑誌名: Nature Astronomy 巻: 3 号: 11 ページ: 971-976
  • DOI: 10.1038/s41550-019-0832-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Evidence for widespread hydrated minerals on asteroid (101955) Bennu (2019)
  • 著者名/発表者名: Hamilton V. E.、the OSIRIS-REx Team、Simon A. A.、Christensen P. R.、他
  • 雑誌名: Nature Astronomy 巻: 3 号: 4 ページ: 332-340
  • DOI: 10.1038/s41550-019-0722-2
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The dynamic geophysical environment of (101955) Bennu based on OSIRIS-REx measurements (2019)
  • 著者名/発表者名: Scheeres D. J.、The OSIRIS-REx Team、McMahon J. W.、French A. S.、他
  • 雑誌名: Nature Astronomy 巻: 3 号: 4 ページ: 352-361
  • DOI: 10.1038/s41550-019-0721-3
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Properties of rubble-pile asteroid (101955) Bennu from OSIRIS-REx imaging and thermal analysis (2019)
  • 著者名/発表者名: DellaGiustina D. N.、The OSIRIS-REx Team、Emery J. P.、Golish D. R.、他
  • 雑誌名: Nature Astronomy 巻: 3 号: 4 ページ: 341-351
  • DOI: 10.1038/s41550-019-0731-1
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The operational environment and rotational acceleration of asteroid (101955) Bennu from OSIRIS-REx observations (2019)
  • 著者名/発表者名: Hergenrother C. W.、The OSIRIS-REx Team、Maleszewski C. K.、Nolan M. C.、他
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 号: 1 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1038/s41467-019-09213-x
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Craters, boulders and regolith of (101955) Bennu indicative of an old and dynamic surface (2019)
  • 著者名/発表者名: Walsh K. J.、The OSIRIS-REx Team、Jawin E. R.、Ballouz R.-L.、Barnouin O. S.、他
  • 雑誌名: Nature Geoscience 巻: 12 号: 4 ページ: 242-246
  • DOI: 10.1038/s41561-019-0326-6
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Shape of (101955) Bennu indicative of a rubble pile with internal stiffness (2019)
  • 著者名/発表者名: Barnouin O. S.、The OSIRIS-REx Team et al.
  • 雑誌名: Nature Geoscience 巻: 12 号: 4 ページ: 247-252
  • DOI: 10.1038/s41561-019-0330-x
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The unexpected surface of asteroid (101955) Bennu (2019)
  • 著者名/発表者名: Lauretta D. S.、The OSIRIS-REx Team、DellaGiustina D. N.、Bennett C. A.、他
  • 雑誌名: Nature 巻: 568 号: 7750 ページ: 55-60
  • DOI: 10.1038/s41586-019-1033-6
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Survivability of presolar oxygen isotopic signature of amorphous silicate dust in the protosolar disk. (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto, D., Tachibana, S., Kawasaki, N. and Yurimoto, H.
  • 雑誌名: Meteorit. Planet. Sci. 巻: - 号: 6 ページ: 1-12
  • DOI: 10.1111/maps.13365
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Prediction of Reaction Lines in a Protoplanetary Disk: 3D Monte Carlo Simulation (2023)
  • 著者名/発表者名: Ishizaki L. et al.
  • 学会等名: LPPC 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Prediction of Reaction Lines: 3D Monte Carlo Simulation of Dust Particles in Protoplanetary Disks (2023)
  • 著者名/発表者名: Ishizaki L. et al.
  • 学会等名: Solar System symposium in Sapporo 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Kinetic Study on Crystallization of FeO-bearing Amorphous Silicate in Protoplanetary Disks (2023)
  • 著者名/発表者名: Sakurai R. et al.
  • 学会等名: Solar System symposium in Sapporo 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Crystallization Kinetics of Amorphous Ferromagnesian Silicate with Olivine-Like Composition (2023)
  • 著者名/発表者名: Sakurai R. et al.
  • 学会等名: LPPC 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Kinetics of Crystallization of Amorphous Alumina and Phase Transition of Gamma-Alumina (2023)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi K. et al.
  • 学会等名: LPPC 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Chemical Composition of Amorphous Silicate Dust Around Oxygen-Rich AGB Stars: Condensation Experiments Using the Induction Thermal Plasma System (2023)
  • 著者名/発表者名: Enomoto H. and Takigawa A.
  • 学会等名: LPPC 2023
  • 国際学会
• [学会発表] O-Isotopic Evolution of Amorphous Silicate Dust in the Protosolar Disk (2023)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto D. et al.
  • 学会等名: Solar System symposium in Sapporo 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Dust Condensation in Radio Frequency Induction Thermal Plasma (2023)
  • 著者名/発表者名: Takigawa A. et al.
  • 学会等名: Solar System symposium in Sapporo 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Dust Chemical Reactions in Accreting Protoplanetary Disks (2023)
  • 著者名/発表者名: Tachibana S. et al.
  • 学会等名: Solar System symposium in Sapporo 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Oxygen Isotope Exchange and Crystallization of Amorphous Silicate Dust in Protoplanetary Disks: 3D Monte Carlo Simulation (2022)
  • 著者名/発表者名: Ishizaki L. et al.
  • 学会等名: MetSoc 2022
  • 国際学会
• [学会発表] O-ISOTOPE EXCHANGE KINETICS BETWEEN CAI MELT AND CARBON MONOXIDE GAS IN THE PROTOSOLAR DISK (2022)
  • 著者名/発表者名: D. Yamamoto, S. Tachibana, N. Kawasaki, M. Kamibayashi, and H. Yurimoto
  • 学会等名: 53rd Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] 難揮発性包有物メルトとCOガスとの酸素同位体交換実験 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山本 大貴、川崎 教行、橘 省吾、上林 海ちる、圦本 尚義
  • 学会等名: 鉱物科学会2021年年会
• [学会発表] 非晶質ケイ酸塩ダストとCOガスとの酸素同位体交換速度論: 初期太陽系における酸素同位体進化への示唆 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山本 大貴、橘 省吾、川崎 教行、上林 海ちる、圦本 尚義
  • 学会等名: JpGU2021
• [学会発表] 非晶質Mg-Feケイ酸塩ダストの結晶化：初期太陽系における熱過程への応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 櫻井 亮輔、小林 航大、山本 大貴、瀧川 晶、橘 省吾
  • 学会等名: JpGU2021
• [学会発表] Chemical and isotopic fractionation of Type B CAI caused by evaporation: An experimental study (2022)
  • 著者名/発表者名: 上林 海ちる、橘 省吾、川崎 教行、山本 大貴、圦本 尚義
  • 学会等名: JpGU2021
• [学会発表] 難揮発性包有物メルトとCOガスとの酸素同位体交換実験 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山本 大貴、川崎 教行、橘 省吾、上林 海ちる、圦本 尚義
  • 学会等名: 鉱物科学会2021年年会
• [学会発表] 非晶質ケイ酸塩ダストとCOガスとの酸素同位体交換速度論: 初期太陽系における酸素同位体進化への示唆 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山本 大貴、橘 省吾、川崎 教行、上林 海ちる、圦本 尚義
  • 学会等名: JpGU2021
• [学会発表] 非晶質Mg-Feケイ酸塩ダストの結晶化:初期太陽系における熱過程への応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 櫻井 亮輔、小林 航大、山本 大貴、瀧川 晶、橘 省吾
  • 学会等名: JpGU2021
• [学会発表] Chemical and isotopic fractionation of Type B CAI caused by evaporation: An experimental study (2021)
  • 著者名/発表者名: 上林 海ちる、橘 省吾、川崎 教行、山本 大貴、圦本 尚義
  • 学会等名: JpGU2021
• [学会発表] Effect of Water Fugacity for Oxygen Self Diffusion in Gehlenite (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Ishikubo, N. Kawasaki, D.Yamamoto, S.Tachibana, H. Yurimoto
  • 学会等名: Solar system symposium in Sapporo 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Synthesis and Crystallization of Olivine-like Amorphous Fe-Mg-silicate Dust Analogues (2020)
  • 著者名/発表者名: R. Sakurai, K. Kobayashi, D. Yamamoto, S.Tachibana
  • 学会等名: Solar system symposium in Sapporo 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Conditions of the Solar Protoplanetary Disk deduced from Chondritic Components (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Tachibana, D.Yamamoto, M. Kamibayashi, H. Yurimoto
  • 学会等名: Solar system symposium in Sapporo 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Evaporation Effect on Crystallization of Type B CAIs (2020)
  • 著者名/発表者名: M.Kamibayashi, S.Tachibana, D.Yamamoto, H.Yurimoto
  • 学会等名: Solar system symposium in Sapporo 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Synthesis and Crystallization of Fe-Mg-Silicate Dust Analogues with Pyroxene Composition (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Kobayashi, R. Sakurai, D.Yamamoto, S.Tachibana
  • 学会等名: Solar system symposium in Sapporo 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Hydrothermal Organic Synthesis with the Solar O/C/N Ratio and Comparison with Soluble Organic Molecules in Murchison (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Nagahisa, S. Tachibana, Y. Takano
  • 学会等名: Solar system symposium in Sapporo 2020
  • 国際学会
• [学会発表] O-isotope Exchange between Amorphous Silicates and Carbon Monoxide Gas in the Solar System (2020)
  • 著者名/発表者名: D. Yamamoto, S. Tachibana, N. Kawasaki, M.Kamibayashi, H. Yurimoto
  • 学会等名: Solar system symposium in Sapporo 2020
  • 国際学会
• [学会発表] 小惑星での含水鉱物の熱進化; Ryugu, Bennuの熱史の理解に向けて (2019)
  • 著者名/発表者名: 石丸 夏奈、橘 省吾
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] 非晶質ケイ酸塩と水蒸気との酸素同位体交換速度論から制約される始原的ケイ酸塩ダストの原始惑星系円盤での熱的プロセス (2019)
  • 著者名/発表者名: 山本 大貴、橘 省吾、川崎 教行、黒田 みなみ、坂本 直哉、圦本 尚義
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] アモルファスMg2SiO4微粒子を覆った氷の光化学反応によるフォルステライト結晶の生成 (2019)
  • 著者名/発表者名: 香内 晃、木村 勇気、大場 康弘、羽馬 哲也、渡部 直樹、橘 省吾、土山 明、延寿 里美、大坪 貴文
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] Heating history of igneous RIM formation deduced from micro-scale migration of oxygen isotopes (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Matsuda, N. Sakamoto, S. Tachibana, H. Yurimoto
  • 学会等名: 82nd Annual Meeting of Meteoritical Society
  • 国際学会
• [学会発表] Structure and crystallization of amorphous enstatite synthesized by induced thermal plasma and sol-gel method (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Kobayashi, D. Yamamoto, S.Tachibana
  • 学会等名: 82nd Annual Meeting of Meteoritical Society
  • 国際学会
• [学会発表] Dehydration and recrystallization experiments of serpentine for understanding thermal history of hydrated asteroids (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Ishimaru, S. Tachibana, D. Yamamoto
  • 学会等名: 82nd Annual Meeting of Meteoritical Society
  • 国際学会
• [学会発表] Oxygen isotope exchange between CAI melt and water vapor: An experimental study (2019)
  • 著者名/発表者名: D. Yamamoto, S. Tachibana, N. Kawasaki, M.Kamibayashi, H. Yurimoto
  • 学会等名: 82nd Annual Meeting of Meteoritical Society
  • 国際学会
• [学会発表] Silicon isotopic fractionation during evaporation of CAI-like melts in low-pressure conditions (2019)
  • 著者名/発表者名: R. A. Mendybaev, P. S. Savage, M. Kamibayashi, R. B. Georg, S. Tachibana
  • 学会等名: 82nd Annual Meeting of Meteoritical Society
  • 国際学会
• [学会発表] Crystallization of type B cai melt in low-pressure hydrogen gas and implications for formation conditions of igneous CAIs (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Kamibayashi, D. Yamamoto, S. Tachibana, H. Yurimoto
  • 学会等名: 82nd Annual Meeting of Meteoritical Society
  • 国際学会
• [学会発表] Effect of water fugacity for oxygen self-diffusion in gehlenite (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Ishikubo, S. Tachibana, N. Kawasaki, D. Yamamoto, M. Kuroda, H. Yurimoto
  • 学会等名: 82nd Annual Meeting of Meteoritical Society
  • 国際学会
• [学会発表] Spatial distribution of aluminum monoxide molecules in a ahigh mass protostar candidate orion source I (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Tachibana, T. Kamizuka, T. Hirota, N. Sakai, Y. Oya, A. Takigawa, S. Yamamoto
  • 学会等名: 82nd Annual Meeting of Meteoritical Society
  • 国際学会