分化小惑星上の水から読み解く太陽系衝突の歴史

• 研究課題/領域番号: 20K04055
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分17010:宇宙惑星科学関連
• 研究機関: 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
• 研究代表者: 長谷川 直 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 主任研究開発員 (10399553)
• 研究分担者: 松岡 萌 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 地質調査総合センター, 研究員 (00830738) ; 臼井 文彦 神戸大学, 理学研究科, 特命助教 (30720669) ; 中村 昭子 神戸大学, 理学研究科, 准教授 (40260012)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2022年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2021年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2020年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
• キーワード: 衝突 / 小惑星 / 含水鉱物

研究開始時の研究の概要

分化小惑星への水の供給は、それら天体への水に富む太陽系小天体、即ち、氷天体や炭素質コンドライト母天体小惑星の衝突という形で行われると考えられている。よって、供給された水が、どのような衝突条件で、どのくらい分化小惑星上に残るのかを明らかにする必要がある。本研究では、分化小惑星の表層に衝突によってもたらされた水が、どれくらい残存するかを室内衝突実験と分光測定計測で明らかにする。それに加えて、その実験結果と実際の分化小惑星の天文観測分光データを組み合わせることにより、分化小惑星上への氷天体や炭素質コンドライト母天体小惑星の衝突量の導出を行う。

研究実績の概要

地球型惑星や分化小惑星には、液体の水、氷、含水鉱物などとして水が存在している。これらの水は、雪線以遠で形成された水に富む太陽系内小天体（氷天体や炭素質コンドライト母天体）が、その水を保持したまま衝突したことにより獲得されたと考えられている。 直径 100 km以上の分化小惑星に現存している水 は、その存在量を明らかにすることによって、木星型惑星の動径方向移動に伴う小天体のミキシングを読み解くトレーサーになり得る。
そこで本研究では、衝突によってもたらされた水が分化小惑星の表層に取り込まれ得る量を室内衝突実験から明らかにし、その結果を天文観測データと組み合わせることにより、分化小惑星上に対する水に富む太陽系小天体の衝突量の導出を行う。 分化小惑星模擬物質に対して、室内衝突実験にて、含水鉱物・氷の衝突を模擬し、 衝突前後にフーリエ変換赤外分光光度計(FTIR)にて分光計測を行う。衝突角度や衝突飛翔体物質を変化させ、分化小惑星模擬物質に残る水の量を調べる。
分化小惑星模擬物質として、分化小惑星のコア物質を模擬した鉄鋼に蛇紋岩弾丸および対照実験としてかんらん岩弾丸を衝突させる実験を行った。そして、衝突させて形成されたクレーターに残った蛇紋岩の脱水の程度を調べるためにクレーターの分光測定を行った。その結果、衝突発生圧力が80～100 GPaより低い場合には、衝突でいったん溶融したシリケイトがクレーター表面で固化するときに蛇紋石から脱水した水をとりこむことが示唆された。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

2年目から開始予定の衝突実験をようやく、昨年度から本格的に実施することかができた。
無水のかんらん岩と、含水鉱物を含む岩石の中でも比較的強度の大きい蛇紋岩を弾丸として用い、秒速3～7 km/sで分化小惑星のコア物質を模擬した鉄鋼ブロックに衝突させてクレーターを形成させる実験を行った。実験後の鉄鋼ブロックについて、クレーター内部とクレーター以外の部分の反射スペクトル測定をFTIRを用いて行った。 その結果、蛇紋岩弾丸の衝突発生圧力が80～100 GPaより低いか高いかでクレーター内部の反射スペクトルに違いがあり、低い圧力の衝突を経て回収されたクレーターには 3 μm帯の吸収が有意にあることを確認した。これらについては、6.1μmの水の吸収も検出した。また、いずれの標的においても、蛇紋石由来の1.4 μmの水酸基による弱い吸収は見られなかったことから、低圧衝突試料の3 μm帯の吸収は、衝突でいったん溶融したシリケイトが固化するときに内部にとりこんだ水によるものと推測した。他方、発生圧力が100 GPaを超える衝突クレーターには、蛇紋石が脱水して生じた可能性がある5μm帯のかんらん石の吸収を捉えた。

今後の研究の推進方策

一昨年度まではコロナ禍に起因して、本研究テーマの衝突実験の実施が難しかった為に、昨年度に初めて実験実施できた。
クレーター表面に捕獲された水分量を熱重量測定で測定することを試みる。結果を前年度までに得られた分光測定の結果と比較し、含水弾丸に含まれていた水酸基の行方を明らかにする。クレーターから放出された高速エジェクタ量や物質についても二次標的を用いた解析を行い、弾丸物質・速度への依存性を明らかにする。以上をまとめて、投稿論文を準備する。

研究成果

• [雑誌論文] Spectral Evolution of Dark Asteroid Surfaces Induced by Space Weathering over a Decade (2022)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa, S., DeMeo, F. E., Marsset, M., Bus, S. J., Hanus, J., Hanayama, H., Horiuchi, T., Takir, D., Avdellidou, C., Delbo, M., Jehin, E., Ferrais, M., Geem, J., Im, M., Seo, J., Bach, Y. P., Jin, S., Ishiguro, M., Kuroda, D., Binzel, R. P., Nakamura, A. M, Yang, B. and Vernazza, P.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 939 号: 1 ページ: L9-L9
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ac92e4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Remote Observations of the Main Belt (2022)
  • 著者名/発表者名: Vernazza Pierre、Usui Fumihiko、Hasegawa Sunao
  • 雑誌名: Vesta and Ceres 巻: － ページ: 3-25
  • DOI: 10.1017/9781108856324.003
  • ISBN: 9781108856324, 9781108479738
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The Appearance of a “Fresh” Surface on 596 Scheila as a Consequence of the 2010 Impact Event (2022)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa Sunao、Marsset Michael、DeMeo Francesca E.、Bus Schelte J.、Ishiguro Masateru、Kuroda Daisuke、Binzel Richard P.、Hanus Josef、Nakamura Akiko M.、Yang Bin、Vernazza Pierre
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 924 号: 1 ページ: L9-L9
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ac415a
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Discovery of Two TNO-like Bodies in the Asteroid Belt (2021)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa Sunao、Marsset Michael、DeMeo Francesca E.、Bus Schelte J.、Geem Jooyeon、Ishiguro Masateru、Im Myungshin、Kuroda Daisuke、Vernazza Pierre
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 916 号: 1 ページ: L6-L6
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ac0f05
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The nature of bright C-complex asteroids (2021)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa Sunao、Kasuga Toshihiro、Usui Fumihiko、Kuroda Daisuke
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 73 号: 1 ページ: 240-255
  • DOI: 10.1093/pasj/psaa118
  • 査読あり
• [学会発表] 金属ターゲットと岩石弾丸の高速度衝突によるエジェクタの二次標的を用いた解析 (2024)
  • 著者名/発表者名: 松原 光佑、山口 祐香理、中村 昭子、長谷川 直
  • 学会等名: 令和5年度宇宙科学に関する室内実験シンポジウム
• [学会発表] 高速度衝突でクレーター内に残存する蛇紋岩インパクターの脱水程度の調査 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松原 光佑、中村 昭子、山口 祐香理、長谷川 直、和田 武彦
  • 学会等名: JpGU meeting
• [学会発表] 高速度衝突によって溶融・噴出する岩石弾丸物質の調査 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松原 光佑、山口 祐香理、中村 昭子、長谷川 直
  • 学会等名: 日本惑星科学会2023年秋季講演会
• [学会発表] 高速度衝突による蛇紋岩インパクターの水和状態と溶融・噴出過程 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松原 光佑、山口 祐香理、中村 昭子、長谷川 直、和田 武彦、茅原 弘毅、小池千代枝
  • 学会等名: 天体の衝突物理の解明（XIX）
• [学会発表] The appearance of a non-weathered 'fresh' surface on 596 Scheila after the impact event (2022)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa, S., Marsset, M., DeMeo, F. E., Bus, S. J., Ishiguro, M., Kuroda, D., Binzel, R. P., Hanus, J., Nakamura, A. M, Yang, B. and Vernazza, P.
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Possibility of emigrants from the trans-Neptunian planetesimal region: 203 Pompeja and 269 Justitia (2022)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa, S., Marsset, M., DeMeo, F. E., Bus, S. J., Geem, J., Ishiguro, M., Im, M., Kuroda, D., and Vernazza, P.
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Characteristics of high-albedo C-complex asteroids (2021)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa, S., Kasuga, T., Usui, F., and Kuroda, D
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting
  • 国際学会
• [備考] 10年間での日焼け具合 暗い小惑星表面の10年間での宇宙風化作用によるスペクトル進化
  • URL: https://www.isas.jaxa.jp/topics/003211.html
• [備考] 探査するなら、これ？ 小惑星帯に太陽系外縁天体のような非常に赤い天体を発見
  • URL: https://www.isas.jaxa.jp/topics/002673.html
• [備考] 探査するなら、これ？ 化粧を落として若返った小惑星 小惑星帯に新鮮な表層を持つ天体を発見
  • URL: https://www.isas.jaxa.jp/topics/002901.html