小惑星リュウグウ表面の半乾き状態は衝突による乾燥ではない、千葉工大が証明

千葉工業大学(千葉工大)は8月2日、予想されていたよりも乾燥した状態だった小惑星「リュウグウ」の「衝突乾燥説」を、2019年に新たに開発された高速度衝突実験を用いて放出されたガスの組成と量を実測することで検証した結果、天体衝突時の加熱による脱ガス量は事前予測値の10％程度であり、衝突脱ガスは従来の想定よりも起こりにくいことが明らかとなり、衝突乾燥説でリュウグウの半乾きを説明することは困難であることを示唆する結果となったと発表した。

同成果は、千葉工大惑星探査研究センター(PERC)の黒澤耕介上席研究員を中心に、広島大学、伊・ダヌンツィオ大学らの研究者も加わった国際共同研究チームによるもの。詳細は、英科学誌「Nature」系の地球・環境・惑星科学を扱う学術誌「Communications Earth & Environment」にオンライン掲載された。

探査機「はやぶさ2」がサンプルリターンを成功させた小惑星リュウグウは、「炭素質小惑星」または「C型小惑星」と呼ばれるグループに属しており、このC型小惑星は炭素質隕石の母天体であると想定されている。

炭素質隕石は水分をおよそ10％、炭素をおよそ3％の質量割合で含んでいるが、リュウグウの観察データからは、そうした炭素質隕石に比べてガスを保持している成分(揮発性成分)に乏しい状態であることが明らかとなった。その反射スペクトルは、実験室において、揮発性成分をある程度失うまで加熱によって乾燥させられた炭素質隕石に近いことから、リュウグウ表面物質は半乾き状態であることが判明した。

リュウグウは、直径100kmほどの母天体から生じた小天体であると考えられている。それも考慮に入れた上で、リュウグウが揮発性成分に乏しい理由としては、内部熱源乾燥説、衝突乾燥説、彗星様物質説の3つの仮説が提案されている。

この3つの仮説のうちで、実は衝突乾燥説には問題があることが判明している。そこで研究チームは今回、2019年に開発された二段式軽ガス衝撃銃を用いる新しい実験手法を用いて衝突乾燥説の新たな検証を行うことにしたという。同手法であれば、衝撃銃が酸化アルミニウム製の飛翔体を発射した際に発生してしまう火薬燃焼ガスによる化学汚染を避けられるため、天然の天体衝突とまったく同じ幾何学条件で実験を行うことが可能とされている。

千葉工大に設置されている二段式軽ガス衝撃銃 (出所:千葉工大プレスリリースPDF)

また、衝突される側の素材をどうするか、ということについては、リュウグウから得られたサンプルやそれに近い炭素質隕石などは貴重なため、今回の実験で消費するのは難しいことから、今回の実験では、代表的な炭素質隕石であるオルゲイユ隕石を模して作られた市販の炭素質隕石模擬粉末を使用することにしたという。

この粉末をペレット状に成型しリュウグウ模擬標的を作成。酸化アルミニウムの飛翔体をリュウグウ模擬標的に衝突させ、発生したガスの化学組成と量が計測された。

炭素質隕石模擬粉末を成型して作成されたリュウグウ模擬試料(直径50mm、厚み35mm)。比重は1.8～1.9。この比重は、はやぶさ2による探査で明らかにされたリュウグウそのものの比重よりは大きいが、炭素質隕石の典型的な値に近い値となっている。今回の研究では、リュウグウの母天体はリュウグウよりも密度の高い天体であることが想定されている (出所:千葉工大プレスリリースPDF)

その結果。すべてのショットで最も多く放出されたガスはCO₂で、全体の50％以上を占めていたという。ただし、その放出量は想定よりも低く、飛翔体質量の2％以下にとどまったとするほか、リュウグウ模擬試料は質量の半分以上が構造中に水を含む含水鉱物だが、水蒸気は検出されなかったという。

高速度衝突によってリュウグウ模擬試料から放出された各種ガスの量。衝突速度に対して示されている。すべてのショットで最も多く放出されたガスはCO₂だった。ここに示されたグラフの上端に対応する10マイクロモルのCO₂の質量は0.44ミリグラム。それに対し、用いられた飛翔体の質量は16.5ミリグラム。ここには示されていないが、すべてのショットで水蒸気は検出限界以下だったとしている (出所:千葉工大プレスリリースPDF)

このほかに放出されたガスは水素、メタン、一酸化炭素、硫化水素で、そのCO₂に対する量比は衝突速度を変えてもほとんど変化しないことが確認されたともしている。

これらの結果は、炭素質小惑星の構成物質の衝突脱ガスは従来の想定よりも起こりにくいこと、衝撃を受けた領域からは炭素がCO₂として抜けるため、残った固体は相対的に少し硫黄に富むことを示唆しているとする。

さらに「iSALE」と呼ばれる数値衝突計算コードを用いて、今回の高速度衝突の条件がどのような天体衝突を再現しているのか、そして実験では計測できない試料中における温度上昇の程度についての調査も実施。

数値衝突計算結果。(a)室内実験の再現計算。衝突速度は、実験で計測された値と同じ秒速5.8km。実験で用いられた飛翔体である酸化アルミニウムの物質モデルを用いて、計算は行われた。また標的にはリュウグウ模擬試料の質量の半分を占める蛇紋岩の物質モデルが使用された。(b)リュウグウ母天体の破壊計算。衝突速度は秒速7km。ここではリュウグウの母天体が破壊され、無数の破片がばらまかれたとされる大規模衝突を想定した計算が行われた。物質モデルには室内実験の再現計算で用いたものと同じ蛇紋岩の物質モデルが用いられた。色は衝撃によって上昇する温度が表されている。炭素質隕石に豊富に含まれている有機物や含水鉱物は、加熱によっておよそ800K(～500℃)を超えると熱分解し、ガスを放出。ここでは800Kで熱分解が起こると仮定して赤色で示されている。このような比較から秒速5.8kmで実施された室内衝突実験は、小惑星帯における秒速7kmの衝突と同程度の加熱を起こすことが判明した。またこの数値衝突計算では1200K(～1000℃)を超えるような物質は現れず、実験結果を説明できないこともわかったという。この数値衝突計算でガスを放出すると判定される領域の質量と、画像3で示された放出ガス量との比較から、局所高温領域の体積は赤色領域の体積の5%程度であると見積もられた (出所:千葉工大プレスリリースPDF)