国際小惑星デー |エイリアンの「ゲスト」：小惑星は太陽系の「幼少期」の秘密を守っているのか？

今日は国際小惑星の日です。科学技術用語審査国家委員会が承認した地球物理学用語によれば、小惑星とは太陽系内で太陽の周りを公転し、その大きさと質量が8つの惑星よりもはるかに小さい天体を指します。広大な宇宙、あるいは私たちの太陽系に比べれば、小惑星はほんの一滴に過ぎません。しかし、実は小惑星は太陽系の「幼少期」の秘密を守っているのです。

図 1. 形成中の太陽とその周囲の惑星円盤の想像図。 (画像出典: ESO)

01数十億年もの間漂っていた小惑星の破片

太陽が誕生したばかりの頃、その周囲には塵とガスでできた惑星円盤がありました。惑星は、99% がガスで、わずか 1% が固体粒子で構成されたこの円盤内で誕生しました。ガスのほとんどは太陽によって徐々に集積され、固体の塵は衝突して凝縮し、砂利や岩などになります。それらはどんどん大きくなり、最終的には地球のような岩石惑星、準惑星、衛星、そして多数の小惑星になります。また、残されたものや小惑星の衝突によって生成されたものなど、太陽系をさまよい続ける岩石の破片もいくつかあります。偶然にも地球の重力に捕らえられ、地球に向かって落下する流星に変化します。大気圏で燃え尽きなければ、地球上で最も一般的な隕石であるコンドライトになります。

1940 年のある夜、数十億年にわたって漂っていた小惑星の破片が地球に落下しました。空気との激しい摩擦によってまばゆい光が生まれ、夜の静寂を破って、ついに北インドのセマルコナという小さな村に降り注ぎました。この隕石はセマルコナと名付けられ、その重さは691グラムでした。セマルコナ隕石は普通コンドライトの中でも最も希少なサブクラスに属しており、このサブクラスの 2 番目の隕石が発見されたのは 70 年以上も後のことでした。このサブクラスの隕石は変化が最も少なく、最も純粋な状態を保っているため、太陽系が形成された当時の環境と条件についての洞察を提供することができます。セマルコナ隕石の発見後、科学者たちは多くの研究を行った。現在でもセマルコナ隕石を題材とした研究は数多く行われており、太陽系の形成の謎が解明されつつあります。

図 2. 最も原始的な隕石の 1 つと考えられているセマルコナ隕石には、ミリメートルサイズのコンドリュールが多数含まれています。写真は1.5cmの断面です。 （写真提供：THE PLANETARY SOCIETY）

02 セマルコナ隕石の年代を測定する方法

放射性同位元素の崩壊は自然界の時計として機能します。隕石には微量の放射性同位元素とその崩壊生成物が含まれています。それを測定することで、科学者は隕石がいつ形成されたかを知ることができます。放射性同位元素とは何ですか?アルミニウムは私たちの日常生活で非常に一般的な金属元素です。たとえば、コカコーラの缶はアルミニウムで作られています。アルミニウム原子の中心核を、陽子（正に帯電した粒子）と中性子（帯電していない粒子）で満たされた小さな部屋として想像してください。通常のアルミニウム原子は、原子核に 13 個の陽子と 14 個の中性子を持つためアルミニウム 27 と呼ばれ、調和のとれた家族のように非常に安定しています。アルミニウム26はアルミニウムの同位体です。原子核には中性子が欠けているため、この組み合わせは不安定になります。その後、エネルギーと粒子を放出して、より安定します。このプロセスは放射性崩壊と呼ばれます。アルミニウム 26 は、12 個の陽子と 14 個の中性子を含む別の安定した元素、マグネシウム 26 に変わります。したがって、アルミニウム 26 はアルミニウムの放射性同位体です。この崩壊プロセスは非常にゆっくりです。アルミニウム26の半減期は約72万年です。つまり、現在アルミニウム26の山がある場合、アルミニウム26の半分が変換の過程を完了するには72万年かかります。

カルシウム・アルミニウム含有物は、カルシウムとアルミニウムを豊富に含む鉱物であり、コンドライトの主成分物質です。これは太陽系で形成された最初の固体物質であるため、その誕生の瞬間は通常、太陽系形成のゼロ時間、つまり約45億6700万年前であると考えられています。この年代は、半減期がそれぞれ44億6800万年と7億400万年のウラン238とウラン235の崩壊によって測定され、崩壊生成物は鉛206と鉛207であるため、この方法は「鉛-鉛」年代測定法とも呼ばれています。名前の通り、カルシウムアルミニウム含有物はアルミニウムを豊富に含んでいます。測定の結果、カルシウム-アルミニウム介在物が形成される場合、アルミニウム-26とアルミニウム-27の比率は約2万分の1であることがわかりました。コンドライトの場合、科学者はコンドリュールが形成された時のアルミニウム26とアルミニウム27の比率を測定することができます。この比率とアルミニウム26の半減期から、カルシウムとアルミニウムを豊富に含む包有物に対してコンドリュールが形成された時期を推測することができます。セマルコナ隕石中のさまざまなコンドリュールを分析した結果、コンドリュールはカルシウムとアルミニウムを豊富に含む包有物の形成後100万年から300万年の間に誕生し、この期間中にそれぞれ120万年、160万年、210万年、240万年、290万年の異なる熱溶融イベントを通じて生成されたことが明らかになりました。

03 隕石には超新星爆発が記録されていますか？

さらに、隕石中の微量の放射性同位元素とその崩壊生成物を測定することで、隕石の状態や、隕石が形成された当時の環境、つまり太陽系の惑星円盤やそれ以前の環境を研究することが可能になります。例えば、前述のアルミニウム26の起源については多くの説があります。その一つは、近くの超新星爆発が放射性アルミニウム26をもたらしたというものです。

鉄60は鉄の放射性元素であり、崩壊してニッケル60になります。科学者たちは、セマルコナ隕石中のニッケル60、ニッケル58、鉄56の比率を分析することで、隕石が形成された当時、鉄60の含有量が非常に高かったと推測しました。これは、太陽系の形成初期には、星雲物質に過剰な鉄60が含まれていたことを示しており、それは生まれたばかりの太陽から星雲物質への放射線や星間物質との混合から来たものではないことを示しています。科学者たちは、鉄60がこれほど過剰になった最も可能性の高い理由は、太陽系が形成された際に、太陽系に非常に近い場所で超新星爆発が起こり、新たに合成された鉄60がもたらされたことであると考えている。さらに数値シミュレーションを行ったところ、太陽系から約3光年離れた、太陽の約20倍の質量を持つ恒星で超新星爆発が発生したことが示された。それが生み出した衝撃波は、爆発で生成された鉄60を若い太陽系に運び込み、その後形成された小惑星はすべてこの超新星爆発の痕跡を残しました。

しかし、科学的発見への道には多くの障害が待ち受けています。その後の研究で、太陽系を形成した星雲と惑星を形成した惑星円盤内の鉄60の含有量は高くなく、以前の結果の100倍低いことが判明した。その理由としては、まず、鉄60の半減期がこれまで信じられていた150万年ではなく、260万年であることが2009年になって初めて判明したことが挙げられる。第二に、これまでの研究には、機器、サンプル、統計分析方法など、いくつかの問題がありました。そのため、現在、セマルコナ隕石中の鉄60の含有量については多くの論争が起きています。この論争は鉄60の不均一な分布から生じているのではないかと考える人もいます。太陽系誕生の初期に非常に近い場所で超新星爆発があったかどうか、今後の研究がこの謎を解く一助となることを期待しています。

図 3. 超新星爆発の芸術的概念図。 （写真提供：メリッサ・ワイス/CfA）

04 隕石は星雲の磁場を記録する

セマルコナ隕石のコンドリュールの 10% には、磁場にさらされると磁化されるマイクロメートル サイズの鉄ニッケル金属を含むオリビン鉱物粒子が含まれています。オリビン鉱物粒子の独特な組成、サイズ、磁気特性により、オリビン鉱物粒子は元々磁化された磁場を保持します。したがって、セマルコナ隕石中のオリビン鉱物粒子の磁場を測定することにより、これらの隕石コンドリュールが形成された当時の環境磁場を得ることができます。

科学者たちは超伝導技術を利用した磁力計を使用して、セマルコナ隕石のコンドリュール内のオリビン鉱物の磁場を約54マイクロテスラと非常に正確に測定しました。また、異なるコンドリュールの磁場の方向はランダムに分布しており、これはこれらのコンドリュールが小惑星に合体する前に磁化されていたことを示しています。さらに、これらのコンドリュールが形成された当時、太陽系星雲の磁場は約 5 ～ 54 マイクロテスラであり、これは現在の星間空間の磁場の 10 万倍の大きさであったと推測されます。

この磁場測定により、何十年も科学者を悩ませてきた謎も解明されました。惑星円盤は約数百万年にわたって存在します。どのようなメカニズムによって、これほど短い期間ですべてのガスが太陽に落ち込むのでしょうか?科学者たちは、磁気回転不安定性など、磁場が関与するいくつかのメカニズムによってガスが太陽に急速に落ち込む可能性があると推測している。測定結果によると、原始惑星系円盤の物質には、惑星系円盤内のガスを加速して太陽に落下させるのに十分な磁場があり、この磁場メカニズムを裏付けています。

図 5. 全体に磁場を持つ原始惑星系円盤の想像図。球状の粒子はミリメートルサイズのコンドリュールです。 (写真提供: エルナン・カニェラス)

小惑星の破片が偶然地球に落下し、セマルコナ隕石となった。この隕石は、太陽系の形成に関する豊富な情報を記録したテープのようなものです。国際小惑星デーを機に、私たちは小惑星を通して宇宙の無限の謎を改めて垣間見ることができます。

参考文献:

1. コンドリュールの Mg 同位体組成からみた太陽系における 26Al の均一分布 |科学

2. 60Fe: 近くの超新星爆発による惑星分化の熱源 - NASA/ADS (harvard.edu)

3. 超新星に汚染された太陽系星雲の放射性探査：太陽が星団で誕生した証拠 - NASA/ADS (harvard.edu)

4. 初期太陽系における短寿命核種：存在量、起源、および応用 |年次レビュー

5. セマルコナ隕石に記録された太陽系星雲の磁場 |科学

著者：ヤン・ジェン、中国科学院上海天文台研究員

制作：中国科学普及協会

制作：中国科学技術出版社、中国科学技術出版社（北京）デジタルメディア株式会社