太陽系の時間を計る能力を持っているのは誰ですか?それは石の中に隠されています→

先秦時代の百家の一つ、史焦の著した『史子』には、「四方と上下を禹といい、過去と現在を周という」とある。宇宙は好奇心と驚きに満ちた空間と時間です。広大な星の海の中には、時間の経過とともに明るさが周期的に変化する「セフェイド変光星」と呼ばれるタイプの星があります。天文学者は、セフェイド変光星の明るさと周期の関係を研究することで、銀河と星団の間の距離を明らかにすることができます。これらの不思議なセフェイド変光星は「宇宙の尺度」として知られています。

しかし、距離を測定するだけでは宇宙の全体像はわかりません。宇宙の起源と進化についてより深く理解するためには、私たちの故郷である太陽系に焦点を当てる必要があります。天体化学者は、放射性同位元素を使用して岩石や鉱物の年代を決定する独自の方法を持っています。さまざまな放射性同位体システムは、太陽系に置かれた天然の「タイマー」のようなもので、天体のマグマ活動、天体間の衝突、発生する化学反応を記録し、天体化学者が時間の次元から太陽系の形成と進化の歴史を解読することを可能にしています。

▲図1 オーストラリア、ジャックヒル産ジルコンの疑似カラー画像。このジルコンは地球上で最も古いサンプル（44億年前）です。画像出典: インターネット

長寿命同位体：太陽系の「時計」

天体化学者はさまざまなタイマーを利用できますが、最も一般的なのはウラン鉛 (U-Pb) 年代測定法です (87Rb-87Sr や 40K-40Ar などもあります)。ウランを豊富に含む鉱物ジルコンを例にとると、年代測定の原理は次のように簡単に説明されます。ジルコンが形成されると、一定の割合のウランが捕捉されます。天然ウランには235Uと238Uという2つの放射性同位体が含まれています。時間が経つにつれて、それぞれの速度（一定の半減期、つまり放射性原子核の半分が崩壊するのに必要な時間）に従って、それぞれ 207Pb と 206Pb に崩壊します。 235U-207Pb と 238U-206Pb の 2 つの同位体システムは、実際には 2 つの独立した時間計測器であり、定義により、同じ年齢を示すはずです。質量分析計で鉱物の同位体比を測定することで、鉱物や岩石の形成時期を計算することができます。

▲図2 南極火星隕石GRV 020090中のバデレアイトの反射電子像。このバデレアイトは火星で最も新しい火山活動が2億年前まで続いたことを裏付けている。画像提供: パープルマウンテン天文台

隕石中のジルコン（ジルコン含有鉱物を含む）は比較的小さく、通常は数ミクロンから数十ミクロンの大きさしかありません（比較すると、成人の髪の毛の直径は約 70 ミクロンです）。ジルコンは侵食に対して非常に強い耐性があり、その後の衝撃によっても容易に乱されることはありません。同時に、その構造は干渉する娘元素（鉛など）を収容しにくいため、ウラン鉛年代測定に非常に適しており、マグマ内での結晶化時間を忠実に記録することができます。

ジルコンは小さなタイムカプセルとして惑星科学で広く使用されています。たとえば、現在までに地球上で発見された最も古いサンプルは、オーストラリアのジャックヒルズで発見されたジルコンで、44億年前に結晶化したものです。これまでに起こったあらゆる変化にもかかわらず、このジルコンは科学者に地球の初期の地質学的な歴史についての洞察を得る機会を与えてくれます。火星の最も新しい火山活動は2億年前まで続き、火星隕石で発見されたバデレイトジルコンから知られている。中国科学院地質地球物理研究所の李先華院士率いる科学研究チームは、独自に開発した超高空間分解能技術を用いて、嫦娥5号が持ち帰ったサンプルに含まれる3ミクロン（成人の髪の毛の直径の約25分の1）という小さなジルコニウム含有鉱物を分析し、これまでで最も新しい月の火山活動が20億年前に起こったことを確認した。

▲図3 我が国の嫦娥5号の月玄武岩に含まれるジルコン含有鉱物（バッジジルコンとチタンジルコニウムソライト）は、月におけるこれまでで最も新しい火山活動が20億年前に起こったことを裏付けています。画像出典: 参考文献3より改変

短寿命同位体：太陽系のストップウォッチ

上記の放射性同位体の半減期は非常に長く（238U と 235U の半減期はそれぞれ約 45 億年と 7 億年）、過去数十億年の間に太陽系で発生した事象の正確な年代測定が可能になります。しかし、太陽系の最初の数百万年から数千万年の間に起こった出来事については、それらの長寿命同位体の精度は十分ではありません。このとき、自然は「思慮深く」別のタイプのタイマー、つまり短寿命の放射性同位元素を配置しました。これらの核種の崩壊速度は非常に速く、現在は消滅しているため、絶滅核種とも呼ばれています。これらははるか昔に崩壊していますが、崩壊後に生成された同位体の娘核種に基づいて、初期の太陽系に存在していたと推測できます。

長寿命同位体が太陽系の「時計」に例えられるとすれば、短寿命同位体は太陽系の「ストップウォッチ」に例えることができます。天体化学者が広く使用する「ストップウォッチ」には、26Al-26Mg 系 (半減期はわずか 70 万年)、53Mn-53Cr (半減期は約 370 万年)、182Hf-182W (半減期は約 900 万年) などがあります。これらの短寿命の放射性同位元素は、太陽系初期の出来事を数十万年以内の正確な年代測定に使用することができます。

科学者たちは、26Al-26Mg系と53Mn-53Cr系を用いて、太陽系で最も古い安山岩（比較的ケイ素、ナトリウム、カリウムが豊富な火成岩）を発見した。その年代は、太陽系内で最も古い高温凝縮固体耐火包有物の年代と誤差範囲内で一致しており、太陽系形成後最初の100万年から200万年以内に微惑星が溶融して核、マントル、地殻に分化し、急速に安山岩へと進化したことを示しています。短寿命の放射性同位体は相対的な年齢しか示さないため、岩石の絶対年齢を得るには長寿命の放射性同位体と組み合わせる必要があることに注意する価値があります。

▲図4 この模式図は、太陽系の最初の100万年から200万年の間に、微惑星が急速に溶融して分化して安山岩を形成したことを示しています。エコンドライト Erg Chech 002 は、太陽系で最も古い火成岩です。画像出典：インターネットより改変

隕石の宇宙線照射年代

隕石は母天体から弾き出されると宇宙空間を漂い、絶えず宇宙線の衝撃を受けます。宇宙線は隕石の表面の原子と相互作用して、3He、10Be、14C、21Ne、26Al、26Cl などの宇宙線生成核種を生成します。これらの宇宙線生成核種の含有量と生成率を測定することで、隕石が宇宙線にさらされた時間、つまり隕石が宇宙をさまよっていた時間を推定することが可能です。なお、今回隕石から検出された26Alは、もはや消滅核種ではありません。隕石が宇宙線にさらされている限り、その表面は宇宙線の照射を受け続け、26Alは生成され続けるからです。地球の大気圏に入って初めて崩壊と減少が始まり、崩壊は約 500 万年後に完了します。これまで収集された隕石は、概ね500万年未満しか地球上に留まっていません（500万年以上地球上に留まったものは分解したと推定されます）。したがって、太陽系の初期に形成された隕石と比較すると、ここで宇宙線によって形成された26Alは、もはや絶滅した核種ではありません。

▲図5 宇宙線照射年代は、隕石が母天体から放出されて宇宙空間をさまよってから地球の大気圏に突入するまでの時間を記録します。出典: インターネット

隕石の年代

隕石が地表に落ちると、地球の大気の遮蔽により宇宙線と相互作用しなくなるため、宇宙線生成核種は増加しなくなります。このとき、宇宙放射性核種（14C、10Be、36Clなど）が崩壊し始めます。これらの核種の濃度を測定することで、隕石が地球に落下した時刻を推定することができます。砂漠隕石（砂漠で発見された隕石）は通常 50,000 年以上前のものですが、中には 250,000 年以上前のものも存在します。南極隕石（南極大陸で発見された隕石）は最長 200 万年前のものである可能性があり、これは乾燥した寒い南極大陸が隕石を長期間保存できる天然の冷凍庫のようなものだということを示唆しています。

▲図6 砂漠隕石（上）と南極隕石（下）。定住年代は、隕石が地球に落下した時期を記録します。画像出典: インターネット

結論

放射性同位体は宇宙のタイムトラベラーのようなもので、古代の銀河から太陽系に至るまでの宇宙の形成と進化を私たちに明らかにしてくれます。これらの太陽系の時計は数十億年前の秘密を保持しており、天体化学者が時を超えた宇宙のページを解読することを可能にしています。

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出典：中国科学院紫金山天文台