小惑星リュウグウの砂つぶに発見された塩の結晶
―太陽系の海洋天体とのつながりを知る新たな手がかり―

2024年11月21日
京都大学
東北大学
高輝度光科学研究センター
自然科学研究機構分子科学研究所

京都大学白眉センターの松本特定助教らは日本の探査機「はやぶさ2」が回収した小惑星リュウグウの砂つぶから、微小な塩の結晶を発見しました。
これらはリュウグウの母体となる天体を満たした塩水が蒸発や凍結によって失われた時に析出した鉱物です。同じく塩類が見つかっているエンセラダスなどの海洋天体とリュウグウの水の環境とを比較する研究につながります。

[ポイント] ・リュウグウの砂つぶを電子顕微鏡などの分析を駆使して観察した結果、ナトリウム炭酸塩、岩塩、硫酸塩を含む塩の結晶が発見されました。 ・ナトリウム炭酸塩や岩塩は、木星の衛星エウロパや土星の衛星エンセラダスなど内部に海をもつ天体の表層にも、海の成分の析出物として見つかっています。塩の結晶はリュウグウとこれらの海洋天体の水の成分や進化を比較できる新しい手がかりになると期待されます。 ・塩結晶はリュウグウの母天体を流れた塩水が蒸発したか凍結した際に成長したと考えられます。現在のリュウグウは液体で満たされておらず、どのように母天体から液体が失われたのかこれまで謎でした。塩の結晶は、液体の水が消えていった道筋を示した初めての証拠でもあります。 図 1：リュウグウの砂表面で見られたナトリウム炭酸塩脈（青色）の擬似カラー電子顕微鏡画像。 本成果は2024年11月19日（日本時間）付で国際科学誌「Nature Astronomy」に掲載されました。研究グループは松本徹特定助教（京都大）、野口高教授（京都大）、三宅亮教授（京都大）、伊神洋平助教（京都大）、松本恵助教（東北大）、矢田達主任研究開発員（JAXA）、上椙真之主幹研究員（JASRI）、安武正展研究員（JASRI）、上杉健太朗主席研究員（JASRI）竹内晃久主幹研究員（JASRI）、湯澤勇人技術職員（IMS）、大東琢治准教授（KEK）、荒木暢主任研究員（IMS）で構成されています。 論文情報 雑誌名: Nature Astronomy 題名 :Sodium carbonates on Ryugu as evidence of highly saline water in the outer Solar System.（太陽系の外側領域で高濃度の塩水が生まれた証拠を示すリュウグウのナトリウム炭酸塩） 著者：Toru Matsumoto*, Takaaki Noguchi, Akira Miyake, Yohei Igami, Megumi Matsumoto, Toru Yada, Masayuki Uesugi, Masahiro Yasutake, Kentaro Uesugi, Akihisa Takeuchi, Hayato Yuzawa, Takuji Ohigashi, Tohru Araki. DOI：10.1038/s41550-024-02418-1

宇宙航空研究開発機構（JAXA）の探査機「はやぶさ2」は、小惑星リュウグウを探査し、表面の砂を地球に持ち帰りました。小惑星から直接持ち帰った砂には、地球に落下する隕石では見られないような未発見の物質があることも期待されていました。そのひとつは、水に溶けやすい、もしくは吸湿しやすい物質です。湿気を含む地球大気の下で変化してしまう物質は、宇宙空間から持ち帰ったままの新鮮な状態でなければ気付くことも難しいからです。

松本助教らは、リュウグウの砂を大気に全く触れない状態に注意深く保ち、その表面を光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡¹を使って観察しました。すると、砂の表面に小さな白い鉱脈が発達していることを見つけました（図1, 2）。鉱脈を形作る鉱物を、ナノメートルに及ぶ小さな構造を観察できる透過型電子顕微鏡²を使って観察すると、ナトリウム炭酸塩（Na₂CO₃）、岩塩（NaCl：塩化ナトリウム）の結晶や、ナトリウム硫酸塩（Na₂SO₄）がその成分であることがわかりました（図3）。鉱物種の正確な同定には愛知県岡崎市の極端紫外光研究施設UVSORで開発された走査型透過X線顕微鏡³を使いました。また、リュウグウの砂の三次元的な構造や砂全体の鉱物も知るために、兵庫県佐用郡の大型放射光施設SPring-8⁴（BL20XU）で開発されたX線トモグラフィー⁵を用いて砂の非破壊観察を行いました。

図2：リュウグウの砂の光学顕微鏡写真。矢印はナトリウム炭酸塩脈を指す。

図3：ナトリウム炭酸塩脈の断面の詳細な様子（透過型電子顕微鏡画像に擬似着色した）。粘土（三角印:茶色の部分）の表面にナトリウム炭酸塩（星印：青色の部分）が分布している。百ナノメートル程度の大きさの塩化ナトリウム（六角形印：マゼンタの部分）も含まれる。

現在のリュウグウは八百メートル程度の大きさですが、かつては数十キロメートルの大きさをもつ母体となった天体-母天体（ぼてんたい）-が太陽系の始まった頃の約四十五億年前に存在したと推定されています（図4）。その内部は放射性元素の崩壊熱によって温められ、百度以下のお湯で満たされていたと考えられています。このリュウグウの母天体を流れた液体は塩水であることが、リュウグウの砂から溶媒抽出した成分がナトリウムや塩素などに富むことから推定されていました。見つかった塩結晶も母天体の塩水の中で沈殿したと考えられます。

図4：リュウグウの母天体での塩結晶の形成

発見された鉱物はいずれも水に非常に溶けやすい性質をもつ塩の結晶です。水に溶けやすいということから、液体が極めて少なく塩分濃度が高くなければ結晶が析出できなかったと予想されます。そのため松本助教らは、リュウグウの砂を作る多くの鉱物が母天体で沈殿したあとに、液体の水が失われる現象が存在し、その際に塩の結晶が沈殿したと考えました（図4）。液体がなくなる現象として考えられる可能性のひとつは、塩水の蒸発です。母天体の内部から表層の宇宙空間へまでつながる割れ目が生まれると、天体内部の液体は減圧されて蒸発すると考えられます。地球上では大陸内部に取り残された湖が干上がった時に高い濃度の塩水が生じ、ナトリウム炭酸塩や岩塩などが析出することが知られています。これらは「蒸発岩」と呼ばれており、リュウグウ母天体でも蒸発岩が生まれたのかもしれません。もうひとつの可能性は、液体の凍結です。母天体を温めていた放射性元素が乏しくなると天体は冷えてゆき、塩水は徐々に凍結するはずです。塩水に溶けた陽イオンや陰イオンは氷には取り込まれにくいので、凍結が進むと残された塩水の濃度は高くなります。すると濃い塩水からは塩結晶が析出します。凍結した氷はやがて現在に至るまでに宇宙空間へと昇華してしまったと考えられます。
現在のリュウグウに大量の液体は見られず、そしてリュウグウの砂つぶも濡れていることはなく、母天体を流れたはずの液体の水がどのように失われたのか分かっていませんでした。今回の研究により、リュウグウの母天体では蒸発、もしくは凍結によって液体の失われる現象が起こったことが初めてわかりました。

リュウグウの砂で見つかったナトリウム炭酸塩は地球に飛来する隕石では見つかっておらず、小惑星の砂から発見されたことは全くの予想外でした。一方で、準惑星のセレスや木星の衛星エウロパ、土星の衛星エンセラダスなど地下に海が広がっていると予想される天体で塩類が検出されています。たとえばセレスには内部海の物質が凍って吹き出す氷火山があり、ナトリウム炭酸塩は噴出物の主要な成分です。エンセラダス表層の氷の裂け目から噴き出す間欠泉（図5）にはナトリウム炭酸塩や塩化ナトリウムが含まれます。種々の塩類は天体の水の成分や進化を反映しています。そのため、塩の結晶はリュウグウと太陽系の海洋天体との水環境の共通性や違いを比較できる新しい手がかりになると期待されます。とりわけ太陽系の水環境に注目することは、生命の材料である有機物の水中での化学反応を理解することにもつながります。

図 5：エンセラダスから吹き出す間欠泉（©NASA/JPL）

本研究は以下の支援により遂行されました。日本学術振興会科学研究費（19H00725, 19KK0094, 20H00198, 20H00205, 21H05424, 21K113981, 21H05431, 24K00692）、自然科学研究機構アストロバイオロジーセンター公募研究（AB0611）、UVSOR（課題番号24IMS6628）、SPring-8（課題番号2023A0185）

見つかった塩鉱物は電子線にとても弱く、電子顕微鏡での観察中に時間をかけると消えてなくなってしまいます。分析はリュウグウの鉱物の中でも特に困難を伴いました。根気強く観察条件を整えて鉱物種を決めたことで、太陽系の水の進化に関わる意義のある研究ができました。地球に飛来する隕石を調べても、水に溶けやすい塩鉱物は地球上での風化ですぐに変化してしまいます。今回の発見は、はやぶさ２が小惑星リュウグウから直接サンプルを持ち帰ったことで初めて可能となりました（白眉センター 松本徹）。

【用語解説】

＼100兆分の１秒のダイナミクスを初めて捉えた！／ 高強度レーザーで固体がプラズマへ瞬間的に遷移 ―レーザー核融合や高エネルギー密度科学の発展に期待―

2024年9月5日
大阪大学
高輝度光科学研究センター

♦高強度レーザー^※1で銅薄膜を加熱し、固体状態からプラズマ^※2へ瞬間的に相転移する過程を、Ｘ線自由電子レーザー（X-ray Free Electron Laser, XFEL）^※3を使った新たな計測法により、100兆分の1秒の精度で捉える高速撮影に成功。
♦この高速撮影により、プラズマの周辺には、固体とプラズマの中間のプラズマ遷移状態が存在することが明らかに。
♦この発見は、物質の４つの基本状態の１つであるプラズマ状態へどのように変化するのかを明らかにするものであり、レーザー核融合の燃料プラズマ形成などの理解促進に期待。

高強度短パルスレーザーは、物質を100兆分の1秒（10フェムト秒）という短い時間で数百万度から一億度まで一気に加熱することが可能です。加熱時間が短いため、物質は固体密度を維持したままプラズマへ相転移し、太陽内部以上の高エネルギー密度状態になります。このような超高速加熱を等積加熱と呼び、既知の密度の値をもつ非平衡輻射プラズマを生成することができます。これらのプラズマは、状態方程式や熱伝導、Ｘ線吸収過程などの原子過程の研究やレーザー核融合の基礎研究のプラットフォームとして利用されています。
しかし、高強度短パルスレーザーによる加熱現象は、現象の時定数の短さと加熱領域がミリメートル以下と小さいため、現象の詳細を捉えることが難しく、その詳細は実験では明らかになっていませんでした。特に密度が高い固体や高密度プラズマの内部を診断するための高空間・時間分解計測手法の開発が求められていました。

本研究では、高強度短パルスレーザーにより生成された高速電子が、固体の銅薄膜を等積加熱する様子を、高空間・時間分解能を有するX線自由電子レーザーを用いて超高速撮影しました。レーザーが照射された銅薄膜を、100兆分の1秒のX線パルスで撮影すると、加熱された領域のＸ線の透過率の変化が観測されました（図１）。この加熱領域の時間変化は、２つのレーザーのタイミングを変えることで捉えられ、最終的に銅薄膜表面が変形することで現れる干渉縞も撮影されました。これらの結果は、銅薄膜が加熱され、平衡状態に至り、その後冷却される時間発展を詳細に捉えたものです。
さらに、X線の光子エネルギーを変化させて得られた実験データと、高強度レーザーと物質の相互作用をシミュレーションした結果を比較しました。衝突過程やイオン化過程を組み入れたプラズマ粒子シミュレーションによる解析により、レーザーが照射され高温・高イオン化された状態の領域と、高速電子が伝搬したレーザースポット周辺領域は異なる状態にあり、周辺部は低温でイオン化が進んだ縮退状態のプラズマ遷移状態であることが明らかになりました。
これらの結果は、「高速電子による加熱」＝「電子温度の上昇」という従来の考え方と異なり、非平衡プラズマでは、温度とイオン化の上昇が異なり独立していることを示唆しています。この知見は、原子核物理計算のモデルの検証などに応用が期待されます。

本研究では、Ｘ線自由電子レーザーを用いた超高速撮影により、高強度短パルスレーザーで2種類の高温・高密度プラズマ状態が1兆分の1秒（1ピコ秒）以内に形成されることを明らかにしました。特に、高温プラズマの加熱過程は、レーザーフュージョンエネルギー達成に不可欠な高効率核融合点火を実現する上で、重要な基礎物理過程です。さらに、高強度・高エネルギーのレーザーを使用することで、高密度燃料の点火条件に近づくことが期待されます。また、本研究で開発した計測手法は、圧縮された燃料球のような高密度プラズマの診断に有効で、レーザー核融合や高エネルギー密度科学の一層の発展が期待されます。

本研究は、科研費(国際共同研究加速基金B, 基盤研究A, 特別研究員奨励費)、JST戦略的創造研究推進事業さきがけの一環として行われ、大阪大学レーザー科学研究所、高輝度光科学研究センター、理化学研究所放射光科学研究センター、米国ネバダ大学リノ校、SLAC国立加速器研究所、ローレンス・リバモア国立研究所、ロチェスター大学、カナダアルバータ大学、の国際共同研究として行われました。

強いレーザー光が物質を加熱しプラズマを形成する過程は、100兆分の1秒という短い時間に瞬間的に起こるため、これまでは数値シミュレーションでしか加熱過程の詳細を見ることができませんでした。今回、XFELという新しい目を使って、極短時間に物質がプラズマへと遷移する様子を捉えることに初めて成功しました。XFELによる計測結果が私たちの予測と良い一致をみたことは、理論研究者として喜びを感じます。一方、予測と異なる発見もあり、今後の理解の深化につながる成果と考えています。

【用語解説】

大規模計算とその場測定を用いて多元セシウム塩化物を効率的に探索

2024年10月21日
北海道大学
広島大学
高輝度光科学研究センター
京都大学
産業技術総合研究所

・第一原理計算による大規模構造予測を用いて多元系セシウム塩化物を探索。
・放射光X線回折による高速スクリーニングにより新規セシウム塩化物の合成に成功。
・計算と実験の融合で新材料探索の加速に期待。

超伝導体や次世代二次電池といった革新的な技術につながる機能性材料の発見は、ますます重要になっていますが、複雑な組成を持つ新規物質は組成の自由度が高く、網羅的な探索は困難です。近年、人工知能（AI）を用いた大規模な密度汎関数理論（DFT）^*1では、数千の安定な化合物が予測されており、広範な材料探索空間が提唱されています。研究グループは、これらの計算による予測を用いることで、合成実験の前にコンピューターでターゲットに合理的に優先順位を付け、合成中の相変化を、高速温度変化計測を行える「その場測定」で明らかにすることで、新材料の探索の加速ができると考えました。

本研究では、半導体及び蛍光材料として盛んに研究されている新規多元系セシウム（元素記号はCs）塩化物（塩素の元素記号はCl）をターゲットとして新規化合物の発見を目指し、一般式 Cs_xAMCl₆（x=2または3、AとMには異なる金属）を持つ、未報告または十分に調査されていない化合物を効率的に探索しました。
最初に、絶対零度^*2での第一原理計算による既知及び未知化合物の大規模安定性の評価と、結晶構造データベース及び文献調査によって、報告されていないもしくは結晶構造が十分明らかになっていない化合物のリストを作成しました。このアプローチにより、合成ターゲットの範囲を大幅に絞り込むことが可能になります。
次に、塩化物前駆体の安定性と入手可能性を考慮し、高温での塩化物前駆体間の固相反応を行います。固相反応の過程を、高速温度変化計測可能な大型放射光施設SPring-8^*3のBL13XUにおける放射光XRDによって明らかにしました。
最後に、AサイトとMサイトの部分的な占有を仮定し、X線回析と中性子回析、電子回折を用いて解析し、Cs₂LiCrCl₆及びCs₂LiRuCl₆の新規多形^*4とCs₂LiIrCl₆の発見に成功しました（図1）。

本研究は、最先端の計算科学と大規模施設での合成及び反応解析を組み合わせることで、新規材料探索のフレームワークを提案しています。本研究は、セシウム塩化物のみならず他の材料系に展開可能であり、将来的には温度や圧力、合成反応、材料特性といった知見を組み合わせることで、新材料探索を加速させることが期待できます。

本研究の一部は、日本学術振興会科学研究費補助金（JP20KK0124）、科学技術振興機構（JST）さきがけ（JPMJPR21Q8）の支援を受けて行われました。

【用語解説】