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隕石超微粒子高速高精度測定による超新星r過程元素起源の直接的検証

研究課題

研究課題/領域番号 23H00132
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16:天文学およびその関連分野
研究機関国立天文台

研究代表者

辻本 拓司  国立天文台, JASMINEプロジェクト, 助教 (10270456)

研究分担者 平田 岳史  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (10251612)
伊藤 正一  京都大学, 理学研究科, 准教授 (60397023)
研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2028-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
45,890千円 (直接経費: 35,300千円、間接経費: 10,590千円)
2025年度: 7,150千円 (直接経費: 5,500千円、間接経費: 1,650千円)
2024年度: 14,560千円 (直接経費: 11,200千円、間接経費: 3,360千円)
2023年度: 10,270千円 (直接経費: 7,900千円、間接経費: 2,370千円)
キーワードr過程元素 / 超新星(磁気駆動型超新星、コラプサー) / 中性子星合体 / 連星系 / プレソーラー粒子 / 超新星(強磁場超新星、コラプサー) / 隕石 / 同位体比異常 / 矮小銀河 / ブラックホール / 超新星(強磁場超新星、コラプサー)
研究開始時の研究の概要

重力崩壊型超新星でのr過程元素合成の可能性が急浮上している。だが現状では、星の化学組成や銀河化学進化からの要請に過ぎず、その真偽の行方はベールに包まれている。そこで本研究では、隕石中にわずかに含まれる超新星由来の超微粒子(プレソーラー粒子)を独自のサンプリング技術を用いて抽出し、その個々の多元素同位体組成解読を遂行し、超新星でのr過程元素合成の決定的な証拠を捉えることを目標とする。 本研究は、世界最先端の化学分析技術・環境を有する研究組織と最新の元素合成理論・銀河化学進化論を融合させることから、r過程元素起源天体論争に終止符を打つものであり、宇宙が創生した元素の起源の全貌解明を果たすものである。

研究実績の概要

代表者辻本は本研究課題の根幹となるr過程元素を合成する超新星(r過程超新星)の太陽系における頻度率に関し、新たな知見を得、それを単著論文としてまとめ受理された。銀河系のディスク、バルジ、そして大マゼラン星雲とろ座矮小銀河でのユーロピウムの進化を比較検証することから、r過程超新星は金属量が太陽値の1/5を越えるとその頻度が大きく減少することを明らかにした。よって、太陽系始原物質(隕石)形成時におけるr過程超新星の頻度は小さく、これまで100超新星に1つの割合で存在すると予測されていたr過程超新星が500-1000に1つの割合で存在した可能性を指摘するに至った。この結果をもって分析すべき宇宙ナノ粒子の総数が評価でき、来年度への戦略を構築できた。

分担者平田氏は、数億個以上の隕石ナノ粒子を大規模分析し、宇宙ナノ粒子をマイニングしその同位体分析を行うために、レーザーを用いたサンプリング法の最適化を図り、隕石マトリックスを構成するナノ粒子の抽出を行った。そして、独自に開発した超高速質量分析法を用いた個別粒子分析を開始し、基礎データの蓄積を行った。その結果、中質量数範囲のチタンから同位体組成の異常をもつ粒子の検出に成功し、超新星由来の可能性の是非を検証中である。一方で、隕石マトリックスには水質変性により生じた粘土鉱物が存在し、レーザーサンプリング時に様々な金属元素が溶出し分析の支障となることも明らかとなり、次年度の課題となった。

分担者伊藤氏は、隕石母天体形成以前の始原的な領域の評価を、鉱物の岩石学的研究やLA-ICPMSによるU-Pb年代測定といった多角的な研究により実施した。さらに、軽元素・重元素同位体イメージング法を応用した隕石固体物質中の超微量ウラン濃度分布と鉱物学的記載を融合した隕石中の水質変質過程の評価を行い、両者の関係が密接に変質過程と結びつくことを明らかにした。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究課題において不可欠なテーマに関する論文として、単著論文(Tsujimoto 2024, ApJ)の掲載を実現したという実績から概ね順調に進展しているという判断が妥当である。さらに、本研究課題の理論的バックボーンである「銀河化学進化」に関する研究成果について、国立天文台からプレスリリースされた(2024年5月10日)という実績も大いに評価に値する。

また、分担者による始原粒子の発掘(マイニング)も順調に進んでいること、そして、100万個の微粒子を検出しその同位体比の導出にも成功していることから、初年度の業務遂行は十分に全うしたと言える。

今後の研究の推進方策

前年度の成果から、r過程元素を生み出す超新星として磁気駆動型超新星とコラプサーが候補として考えられる中、前者である可能性が高いことを突き止めた。それを受け今後はその仮説の検証を独自のアプローチから実行する。この磁気駆動型超新星は「連星系」にある大質量星がこのタイプの超新星になると考えられるが、銀河進化における連星系の役割には不透明な要素が多く、未踏の分野である。そこで連星系による現象で生じる元素に着眼し、その化学進化を再現することから連星系の化学進化への寄与を定量的に評価することを目指す。この結果を磁気駆動型超新星への理解へと結びつけ、銀河系に存在するr過程元素を十分に説明できる量を作り得るかを精査する。

一方、分担者平田氏は、昨年度に隕石マトリックスに水質変性により生じた粘土鉱物が存在し、レーザーサンプリング時に様々な金属元素が溶出し分析の支障となることが明らかとなったことを踏まえ、今年度はレーザーサンプリングに際して水以外の溶媒を用いたレーザーサンプリングを行い、粒子のみの効果的な抽出作業を進める。さらに、変性の影響が少ない部分の特定を目的に、独自に開発したバリア放電イオン源を用いた有機イメージング質量分析法を組み合わせることで隕石試料への実践的分析を加速させる。

さらに、分担者伊藤氏は、昨年度のSIMS付属の液体窒素冷却およびSIMS付属の液体窒素冷却ステージ両者の導入の成功に続き、今後は隕石母天体形成以前の太陽系前駆物質の一部と考えられる大型の隕石クラストに対して、SIMSによる安定同位体分析および、LA-ICP-TOF-MSによる超微粒子同位体分析を行う。

報告書

(2件)
  • 2023 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (28件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 国際共同研究 (5件) 雑誌論文 (15件) (うち国際共著 10件、 査読あり 15件、 オープンアクセス 15件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 5件、 招待講演 3件)

  • [国際共同研究] 西オーストラリア大学(オーストラリア)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] ウィーン大学(オーストリア)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] 自然歴史博物館(英国)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] ハワイ大学(米国)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] アンドレベロ大学(チリ)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] Joint r-Process Enrichment with a Metallicity Threshold and Neutron Star Mergers2024

    • 著者名/発表者名
      Tsujimoto Takuji
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: -

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Phosphorus Enrichment by ONe Novae in the Galaxy2024

    • 著者名/発表者名
      Bekki Kenji、Tsujimoto Takuji
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal Letters

      巻: 967 号: 1 ページ: L1-L1

    • DOI

      10.3847/2041-8213/ad3fb6

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] JASMINE: Near-infrared astrometry and time-series photometry science2024

    • 著者名/発表者名
      Kawata Daisuke、Kawahara Hajime、Gouda Naoteru、et al.
    • 雑誌名

      Publications of the Astronomical Society of Japan

      巻: psae020 号: 3 ページ: 1-40

    • DOI

      10.1093/pasj/psae020

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Depositional condition of Paleoproterozoic Francevillian carbonate rocks revisited from rare earth element contents2024

    • 著者名/発表者名
      Yoshida Satoshi、Mayika Karen Bakakas、Ishihara Yuki、Moussavou Mathieu、Asanuma Hisashi、Sato Tomohiko、Hirata Takafumi、Ligna C?dric、Sawaki Yusuke、Edou-Minko Amboise
    • 雑誌名

      Geoscience Frontiers

      巻: 15 号: 3 ページ: 101771-101771

    • DOI

      10.1016/j.gsf.2023.101771

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Hydrogen diffusion in apatite parallel to the c-axis under vapor flow2024

    • 著者名/発表者名
      Yoshimoto Chikashi、Itoh Shoichi、Sakaguchi Isao
    • 雑誌名

      GEOCHEMICAL JOURNAL

      巻: 58 号: 1 ページ: 1-8

    • DOI

      10.2343/geochemj.GJ24001

    • ISSN
      0016-7002, 1880-5973
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A new method for quantitative analysis of total water contents and estimating molecular water and hydroxyl contents in rhyolitic glasses by SIMS2024

    • 著者名/発表者名
      Suzumura Akimasa、Okumura Satoshi、Yoshimoto Chikashi、Itoh Shoichi
    • 雑誌名

      GEOCHEMICAL JOURNAL

      巻: 58 号: 3 ページ: e1-e7

    • DOI

      10.2343/geochemj.GJ24008

    • ISSN
      0016-7002, 1880-5973
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Direct Analysis of Bio-Molecules in Solid Materials Using Electrospray Ionisation Mass Spectrometry Coupled with Laser Ablation and a Liquid Sampling Technique2023

    • 著者名/発表者名
      Hirata Takafumi、Yang Menghao、Hsin Khoo Hui
    • 雑誌名

      Mass Spectrometry

      巻: 12 号: 1 ページ: A0121-A0121

    • DOI

      10.5702/massspectrometry.A0121

    • ISSN
      2186-5116, 2187-137X
    • 年月日
      2023-05-11
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Size Analysis of Silver and Gold Nanoparticles Using Laser Ablation Single Particle ICP Mass Spectrometry: Evaluation of the Laser-Induced Disintegration of Nanoparticles2023

    • 著者名/発表者名
      Yamashita Shuji、Hirata Takafumi
    • 雑誌名

      Mass Spectrometry

      巻: 12 号: 1 ページ: A0116-A0116

    • DOI

      10.5702/massspectrometry.A0116

    • ISSN
      2186-5116, 2187-137X
    • 年月日
      2023-04-06
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Exploring the Sun’s birth radius and the distribution of planet building blocks in the Milky Way galaxy: a multizone Galactic chemical evolution approach2023

    • 著者名/発表者名
      Baba Junichi、Saitoh Takayuki R、Tsujimoto Takuji
    • 雑誌名

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      巻: 526 号: 4 ページ: 6088-6102

    • DOI

      10.1093/mnras/stad3188

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] A model for GN-z11: top-heavy stellar initial mass functions in forming galactic nuclei and ultra-compact dwarfs2023

    • 著者名/発表者名
      Bekki Kenji、Tsujimoto Takuji
    • 雑誌名

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters

      巻: 526 号: 1 ページ: L26-L30

    • DOI

      10.1093/mnrasl/slad108

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Oxygen, sulfur, and iron radial abundance gradients of classical Cepheids across the Galactic thin disk2023

    • 著者名/発表者名
      da Silva R.、D’Orazi V.、Palla M.、Bono G.、Braga V. F.、Fabrizio M.、Lemasle B.、Spitoni E.、Matteucci F.、Jonsson H.、Kovtyukh V.、Magrini L.、Bergemann M.、Dall’Ora M.、Ferraro I.、Fiorentino G.、Francois P.、Iannicola G.、Inno L.、Kudritzki R.-P.、Matsunaga N.、Monelli M.、Nonino M.、..........、Tsujimoto T.
    • 雑誌名

      Astronomy & Astrophysics

      巻: 678 ページ: A195-A195

    • DOI

      10.1051/0004-6361/202346982

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Metallicities of Classical Cepheids in the Inner Galactic Disk2023

    • 著者名/発表者名
      Matsunaga Noriyuki、Taniguchi Daisuke、Elgueta Scarlet S.、Tsujimoto Takuji、Baba Junichi、McWilliam Andrew、Otsubo Shogo、Sarugaku Yuki、Takeuchi Tomomi、Katoh Haruki、Hamano Satoshi、Ikeda Yuji、Kawakita Hideyo、Hull Charlie、Albarracin Rogelio、Bono Giuseppe、D’Orazi Valentina
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 954 号: 2 ページ: 198-198

    • DOI

      10.3847/1538-4357/aced93

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] The VISCACHA survey. VIII. Chemical evolution history of the Small Magellanic Cloud west halo clusters2023

    • 著者名/発表者名
      Saroon S.、Dias B.、Tsujimoto T.、Parisi M. C.、Maia F.、Kerber L.、Bekki K.、Minniti D.、Oliveira R. A. P.、Westera P.、Katime Santrich O. J.、Bica E.、Sanmartim D.、Correa Quint B.、Fraga L.
    • 雑誌名

      Astronomy & Astrophysics

      巻: 677 ページ: A35-A35

    • DOI

      10.1051/0004-6361/202346648

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Diffuse Neutrino Flux Based on the Rates of Core-collapse Supernovae and Black Hole Formation Deduced from a Novel Galactic Chemical Evolution Model2023

    • 著者名/発表者名
      Ashida Yosuke、Nakazato Ken'ichiro、Tsujimoto Takuji
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 953 号: 2 ページ: 151-151

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ace3ba

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Elemental and isotopic signatures of individual particles in chondrite matrix using inductively coupled plasma mass spectrometry2023

    • 著者名/発表者名
      Kurihara Kanoko、Numa Norika、Niki Sota、Akamune Mai、Nakazato Masaki、Yamashita Shuji、Itoh Shoichi、Hirata Takafumi
    • 雑誌名

      GEOCHEMICAL JOURNAL

      巻: 57 号: 5 ページ: e9-e16

    • DOI

      10.2343/geochemj.GJ23015

    • ISSN
      0016-7002, 1880-5973
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Galactic and cosmic chemical evolutions, and their connection to neutrino astronomy2024

    • 著者名/発表者名
      Tsujimoto Takuji
    • 学会等名
      Unraveling the History of the Universe and Matter Evolution with Underground Physics (UGAP2024)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 銀河の化学進化から探るr過程元素を作り出す超新星の個性2024

    • 著者名/発表者名
      辻本拓司
    • 学会等名
      新学術「地下宇宙」第10回超新星ニュートリノ研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Chemistry, the IMF, and migration of the Galactic bulge2023

    • 著者名/発表者名
      Tsujimoto Takuji
    • 学会等名
      The Galactic bulge and beyond
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] SP-ICP-MSによる超微量分析法について2023

    • 著者名/発表者名
      平田岳史
    • 学会等名
      プラズマ分光分析研究会第119回講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] レーザーアブレーション法による無機元素と有機分子の同時イメージング法の開発2023

    • 著者名/発表者名
      平田岳史
    • 学会等名
      第71回日本質量分析学会総合討論会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Petrography of the cm-sized dark clast in NWA7678 reduced CV3 chondrite2023

    • 著者名/発表者名
      Sakurai Takumi、Itoh Shoichi
    • 学会等名
      Japan Geoscience Union Meeting 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Determination of hydrogen self-diffusion coefficients of fluorapatite using a flow-type steam diffusion reactor2023

    • 著者名/発表者名
      Yoshimoto Chikashi、Sakaguchi Isao、Itoh Shoichi
    • 学会等名
      Japan Geoscience Union Meeting 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Identification of aqueous alteration area in carbonaceous chondrites with Uranium distribution by LA-ICP-MS2023

    • 著者名/発表者名
      Itoh Shoichi、Uchida Yuki、Igami Youhei、Noguchi Takaaki、Hirata Takafumi
    • 学会等名
      Water-Rock Interaction 17
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2023-04-13   更新日: 2025-04-17  

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