天体衝突が残す鉱石、わずか1億分の1秒で生成

【2021年7月21日 神戸大学】

誕生直後の太陽系は、小天体が頻繁に衝突を起こす環境だった。衝突と合体を繰り返すことで地球などの大きな天体が形成され、現在の太陽系の姿になったのである。そのため、初期太陽系の様子を知るためには、そこで起こっていた衝突に関する情報が必要となる。

（左）形成初期の太陽系の様子（右上の明るい天体が太陽）。（右）塵から形成された小天体が合体・衝突を繰り返して地球型の惑星が形成されるまでのイメージイラスト（提供：神戸大学リリース）

衝突は天体の外見を変化させるだけでなく、衝撃圧縮によって構成物質の状態を変化させる。地球は成長の過程で表面が溶けるほどの高温になっているため、衝撃圧縮の痕跡は失われているが、そこまで成長しなかった小惑星や、その破片が地球に飛来した隕石には、衝突で変化した物質が残っていると考えられてきた。

衝撃圧縮で形成された可能性のある鉱物として挙げられるのがリングウッダイト（γ-(Mg, Fe)₂SiO₄）である。これは普遍的に見られるカンラン石（α-(Mg, Fe)₂SiO₄）と同じ化学成分だが、原子の配列が異なり密度の高い結晶だ。さらに別の原子配列も見つかり、ポワリエライト（ε-(Mg, Fe)₂SiO₄）と名付けられている（参照：「隕石から新鉱物「ポワリエライト」を発見」）。

リングウッダイトやポワリエライトは高圧環境下でなければ作られない上に、これらの鉱物が見つかった隕石は大きく変形しているなど、天体衝突との関係を物語る状況証拠はある。実際に衝撃圧縮で原子配列が変化することを実験で示し、その過程を記録できれば関係性が強固なものとなるはずだ。とはいえ、現実どおりに岩石同士を衝突させた場合、物質が壊れる一瞬の間に原子配列の変化を計測するのは難しい。

京都大学複合原子力科学研究所の奥地拓生さんたちの研究グループは、カンラン石の単結晶に集光した強いレーザーパルスを打ち込むことで衝撃圧縮状態を作り出す実験を行、その際の原子配列をX線自由電子レーザー施設「SACLA」を用いて計測した。

SACLAの外観（提供：理化学研究所 放射光科学研究センター）

レーザーパルスによってカンラン石の結晶には60～100万気圧の強い圧力が発生する。超高速で進む変化をとらえるため、時間幅がフェムト秒（1000兆分の1秒）単位と極めて短いX線パルスを結晶に照射して、原子配列をほぼ止まって見える状態でとらえた。さらに全く同じカンラン石の単結晶をいくつも用意して、レーザーパルスとX線パルスを結晶に当てるタイミングを少しずつずらすことで、一連の変化をコマ送りの動画として記録することに成功した。

実験の概念図（提供：神戸大学リリース）

その結果、衝撃圧縮開始からわずか1億分の1秒で、原子の配列がカンラン石からリングウッダイトへ変化することが確認された。カンラン石中の酸素イオンと金属イオンの間には強く切れにくい化学結合があるため、その切断と再形成を伴う変化がこれほどの短時間で起こるのは従来の見解を覆す発見だったという。

今回の実験で再現された短時間の衝撃圧縮は、メートルサイズの小惑星など比較的小さな天体の衝突により高い頻度で起こる。つまり、多数の隕石や、「はやぶさ2」などが回収した小惑星のサンプルなどにその痕跡が残されている可能性は高い。

今回の実験で生成が確認された結晶はリングウッダイトだけだが、隕石からは他にもポワリエライトをはじめとした多種多様な高密度結晶が発見されている。これらについても、レーザーパルスとX線パルスを使って形成過程を分析することが期待される。ミクロなスケールの、文字どおり一瞬で終わる現象が、46億年の時をさかのぼって生まれたての太陽系を探る鍵となるのだ。