リュウグウの銅・亜鉛同位体分析が解き明かす地球の揮発性物質の起源 太陽系の果てで生まれたリュウグウ的物質は地球にも存在する

東京工業大学 理学院 地球惑星科学系の横山哲也教授、北海道大学大学院理学研究院の圦本尚義教授、東京大学大学院理学系研究科の橘省吾教授らの研究グループは、Cb型小惑星「リュウグウ」の銅および亜鉛の同位体組成^[用語1]を測定し、太陽系外縁部に由来するリュウグウ的な物質が地球にも存在し、それは地球質量の約5％に相当することを突き止めた。

リュウグウ試料の初期分析により、Cb型小惑星^[用語2]「リュウグウ」はイヴナ型炭素質隕石^[用語3]に似た化学組成・同位体組成を持つことが明らかとなった。しかし、これまでに測定された同位体組成は難揮発性元素^[用語4]（チタン・クロム・鉄）や揮発性の高い元素（酸素など）であり、地球の形成過程を議論する上で重要な中程度の揮発性を持つ元素に関しては、同位体組成に関する情報がなかった。

研究グループは、中程度の揮発性元素である銅および亜鉛の同位体組成を測定し、リュウグウとイヴナ型炭素質隕石の分析値が一致することを明らかにした。また、リュウグウとイヴナ型炭素質隕石の銅および亜鉛の同位体組成は、他の炭素質隕石と明らかに異なることもわかった。これは、リュウグウのチタン・鉄・クロムの同位体分析から得られた結論、すなわち、「リュウグウとイヴナ型炭素質隕石が他の隕石とは全く異なる場所で生まれた」という考察と整合する。さらに、リュウグウと地球の亜鉛同位体組成を比較した結果、地球に存在する亜鉛の約30%はリュウグウ的物質に由来すると推察された。このことから、リュウグウが生まれた太陽系外縁部に存在していた物質が地球の形成にも寄与しており、その量は地球質量の約5％であると予想される。

なお、本研究成果は、日本時間2022年12月13日に、Nature Astronomy 誌にオンライン掲載された。

JAXAの探査機「はやぶさ2」がCb型小惑星「リュウグウ」の試料を地球に送り届けてから約2年が経過した。試料到着後のキュレーション^[用語5]ならびに複数の国際チームが行った初期分析により、リュウグウ試料の持つ物理的・化学的特性やリュウグウの起源など、貴重な情報が次々と明らかになった。特に重要な発見は、リュウグウの鉱物組成、化学組成、および同位体組成において、イヴナ型炭素質隕石とほぼ一致する点が見られたことである。

太陽系の起源や進化を調べる研究において、隕石の化学組成や同位体組成は有益な情報となる。中でも、イヴナ型炭素質隕石は全ての隕石の中で最も始原的かつ太陽に最も近い化学組成を持つと考えられており、極めて重要な研究対象である。しかし、地球上にある約7万個の隕石の中でイヴナ型炭素質隕石はわずか9個しか見つかっておらず、貴重な存在であることが研究の障壁となってきた。リュウグウとイヴナ型炭素質隕石が近い化学組成・同位体組成を持つことが明らかとなったため、リュウグウも太陽系の起源研究に寄与する重要な役割を持つと期待されている。

しかしながら、リュウグウとイヴナ型炭素質隕石との類似性が全ての元素で確認されたわけではない。特に、これまでに測定されたリュウグウの同位体組成は、凝縮温度が862 ℃を超える難揮発性元素（チタン・クロム・鉄など）および392 ℃以下の揮発性元素（酸素・炭素・窒素など）であり、中程度の揮発性を持つ元素群に関しては同位体組成が測定されてこなかった。そこで、研究グループは凝縮温度453 ℃ である亜鉛および764 ℃である銅に着目し、リュウグウ、イヴナ型炭素質隕石、およびその他の隕石の同位体組成を精密測定した。

はやぶさ2が採取したリュウグウ試料を水溶液化し、パリ・シテ大学地球物理学研究所のマルチ検出機付きICP質量分析装置^[用語6]により銅および亜鉛の同位体組成を精密測定した。

リュウグウとイヴナ型炭素質隕石の銅および亜鉛同位体組成は、分析誤差の範囲内で一致した（図1）。この結果は今までに行われたリュウグウ試料のチタン・クロム・鉄および酸素同位体分析の結果と整合しており、難揮発性元素から中程度の揮発性元素、揮発性元素に至るまで、リュウグウとイヴナ型炭素質隕石がほぼ同一の同位体組成を持っていることを示している。すなわち、リュウグウとイヴナ型炭素質隕石のもととなる天体は、誕生したタイミングや場所、形成過程などに関して多くの共通性があり、両者は親戚関係にあるといえる。また前述の通り、イヴナ型炭素質隕石は全隕石の中で最も始原的であり、かつ太陽に最も近い化学組成を持つ。従って、リュウグウ試料の銅および亜鉛同位体組成は、太陽の銅・亜鉛同位体組成の最適な推定値であると考えられる。

図1

リュウグウ試料（Ryugu）、イヴナ型炭素質隕石（CI, 紫の範囲内）、およびその他の炭素質隕石（C-ung, CM, CV, CO）の銅および亜鉛同位体組成。リュウグウとイヴナ型炭素質隕石は誤差の範囲内で同一の同位体組成を持つが、その他の炭素質隕石は異なる同位体組成を持つことがわかる。Alais、Orgueil、Tarda、Murchison、Allendeはそれぞれ隕石名。（© Paquet et al., 2022を一部改変）

研究グループはさらに、リュウグウの原子核合成に由来する亜鉛同位体異常^[用語7]の解析も行った（図2）。その結果、地球の亜鉛同位体組成を説明するためには、太陽系の内側（地球に近い領域）に存在していた物質に加え、太陽系外縁部のリュウグウ的な物質も必要であることが判明した。計算したところ、地球に存在する亜鉛の約30%はリュウグウ的物質、残りの約70%は太陽系の内側物質であることが推察された。リュウグウ的物質は太陽系内側の物質と比較し、亜鉛のような中程度の揮発性元素に富んでいる。そのことを勘案すると、地球の形成に寄与したリュウグウ的物質は、地球質量の約5%であることが予測される。

図2.

太陽系内側物質（Ureilites, NC iron, Ordinary, Enstatite）、炭素質隕石（Carbonaceous, Carbonaceous iron）、リュウグウ試料（Ryugu）、および地球物質（Earth）の核合成起源亜鉛同位体異常（ε⁶⁶Zn）を示す図。リュウグウ試料と炭素質隕石は正のε⁶⁶Zn値を持つ一方、太陽系内側物質は負のε⁶⁶Zn値を持つ。地球のε⁶⁶Zn値（～0）を説明するには、リュウグウ的組成を持つ亜鉛が30%、太陽系内側物質の組成を持つ亜鉛が70%必要である。（© Paquet et al., 2022より引用）

リュウグウとイヴナ型炭素質隕石は、中程度の揮発性元素である銅および亜鉛に関しても同じ同位体組成を持つことが分かった。リュウグウは太陽系で最も始原的な物質であり、まさに太陽系の化学組成を知るための「ロゼッタストーン」である。本研究は、そのようなリュウグウが生まれた太陽系外縁部の物質が地球形成にも関わっていたことを突き止めた。その質量は地球質量のわずか5%であるが、リュウグウ的物質は揮発性元素に富んでいるため、地球に存在する揮発性元素の相当量（亜鉛の場合、約30%）が太陽系の果てからやってきた、と推察される。

地球の形成に寄与した5%のリュウグウ的物質がどのようにして地球形成領域にやってきたのか、また、リュウグウ的物質からやってきた亜鉛以外の揮発性元素はどのくらい地球に取り込まれたのか、今後の研究により明らかにされることが期待される。