「はやぶさ2」に搭載した近赤外分光計(NIRS3)の観測により、小惑星リュウグウについて次の三点が判明した。(1)リュウグウ表面の近赤外反射スペクトルには、水酸基に起因する波長2.72マイクロメートルの吸収が見られた。これはリュウグウ表面に含水鉱物として水が存在することを示している。(2)実験室で測定された隕石との比較から、リュウグウの表面物質は加熱や衝撃を受けた炭素質隕石と似たスペクトル特徴を示すことがわかった。(3)水酸基の吸収における中心波長に地域差が見られないことから、リュウグウは全体的に均質な組成である。それはリュウグウの母天体で起きた水質変成作用の特徴を反映していると考えられる。リュウグウが母天体の衝突破片でできたラブルパイル天体であることを考えると、母天体の内部物質も均質な組成であったと推測される。

リュウグウと炭素質隕石の反射スペクトルの比較

リュウグウと炭素質隕石の反射スペクトルの比較。右図は左図をNIRS3の波長範囲で拡大したもの。
(画像クレジット 北里宏平ら)

研究の背景

「はやぶさ2」は、地球に接近する小惑星であるリュウグウの表面から試料を採取して、地球に持ち帰るサンプルリターンミッションを目指している。その試料の分析から得られる物質科学的情報は、試料を採取した場所の地質学的情報と組み合わせることによって、天体の歴史を紐解く重要な手掛かりとなる。
リュウグウは、「はやぶさ2」の到着前に行われた望遠鏡観測から、C型と呼ばれるスペクトルタイプに分類され、水や有機物を含む炭素質隕石に似た組成を持つと考えられてきた。しかしながら、水酸基や水分子の顕著な赤外吸収が現れる3μm波長帯のデータがなかったことから、その組成や水の存在は確定的ではなかった。

研究内容と結果

近赤外分光計(NIRS3)の観測から得られた3μm波長帯のスペクトルを解析し、リュウグウ表面の組成と水の存在を明らかにした。

  • リュウグウの表面には含水鉱物の形で水が存在する
    NIRS3が取得したリュウグウの反射スペクトルには、水酸基に起因する微弱な2.72μmの吸収(OH吸収)が見られることを明らかにした。これは、僅かながら水分を含む鉱物(含水鉱物)がリュウグウ表面に存在することを示す直接的な証拠と言える。
  • 加熱や衝撃を受けた炭素質隕石に類似
    リュウグウの反射スペクトルには、上記の微弱なOH吸収に加えて、極端に低い反射率(2%)や緩やかな正のスペクトル勾配などの特徴も見られた。実験室で測定された様々な隕石のスペクトルと比較をした結果、それらの特徴と合致する隕石は、500℃程度の加熱か10GPa以下の衝撃を受けた特殊な炭素質隕石に限られることがわかった。これは、リュウグウを構成する物質が加熱や衝撃による二次的な変成作用を経験したことを示唆している。
  • リュウグウの表面組成は均質
    NIRS3による全球観測の結果、OH吸収の吸収強度と中心波長に場所による有意な差は見られないことがわかった。このことは、リュウグウが全体的に均質な組成であることを示している。また、リュウグウが母天体の衝突破片でできたラブルパイル天体であることと合わせて考えると、母天体の内部物質も均質な組成であったと推測される。

リュウグウの形成過程

リュウグウは、そのスペクトル特徴から加熱や衝撃による変成を受けたことが示唆されるが、その変成の原因については、(1)母天体内部での放射性加熱、(2)母天体が衝突破壊された際の衝撃加熱、(3)リュウグウが太陽に接近した際の太陽光加熱、などが考えられる。
また、もしリュウグウが隕石カタログにない物質だとすると、加熱や衝撃ではなく、母天体上での水質変成作用が効果的に働かなかったという可能性も残る。これらの答えは、「はやぶさ2」が地球に持ち帰る試料の分析によって明らかになるだろう。

地球の水の起源

リュウグウのようなC型小惑星は、地球に水をもたらした有力な候補の一つと考えられている。実際、地球に存在する水のどのくらいの割合がC型小惑星によってもたらされたかを知るには、地球が誕生した後に衝突した小惑星の数量と合わせて、それらの内部に保持されていた水の量に関する情報が必要であり、そのためには、C型小惑星上で水質変成作用が起きた際の水の行方(天体の外に放出されたのか、それとも内部に閉じ込められたのか)を理解することが重要である。本研究で得られたリュウグウの地質学的情報と、将来の試料分析から得られる物質科学的情報とを組み合わせることによって、母天体で起きた水質変成作用に関する理解を深めることができ、最終的に地球の水の起源に迫れるだろうと期待される。

本研究は米国の科学雑誌『Science』のウェブサイトに掲載されました。
(K. Kitazato et al. 2019, "The surface composition of asteroid 162173 Ryugu from Hayabusa2 near-infrared spectroscopy", Science, 19 March, 2019)
DOI: 10.1126/science.aav7432

また本研究は、科学研究費助成事業(16H04044, 17H0659, 17K05639)、研究拠点形成事業(International Network of Planetary Sciences)、並びにアメリカ航空宇宙局(NASA)Hayabusa2 Participating Scientist Program(NNX17AL02G, NNX16AL34G), NASA's Emerging Worlds Program(NNX17AK46G), European Union's H2020 programme(664931)の助成を受けて行われました。

論文著者、所属機関

K. Kitazato1*, R. E. Milliken2, T. Iwata3,4, M. Abe3,4, M. Ohtake3,4, S. Matsuura5, T. Arai6, Y. Nakauchi3, T. Nakamura7, M. Matsuoka3, H. Senshu8, N. Hirata1, T. Hiroi2, C. Pilorget9, R. Brunetto9, F. Poulet9, L. Riu3, J.-P. Bibring9, D. Takir10, D. L. Domingue11, F. Vilas11, M. A. Barucci12, D. Perna13,12, E. Palomba14, A. Galiano14, K. Tsumura7,15, T. Osawa16, M. Komatsu4, A. Nakato3, T. Arai8, N. Takato17,4, T. Matsunaga18, Y. Takagi19, K. Matsumoto17,4, T. Kouyama20, Y. Yokota3,21, E. Tatsumi22, N. Sakatani3, Y. Yamamoto3,4, T. Okada3,22, S. Sugita22, R. Honda21, T. Morota23, S. Kameda24, H. Sawada3, C. Honda1, M. Yamada8, H. Suzuki25, K. Yoshioka22, M. Hayakawa3, K. Ogawa26, Y. Cho22, K. Shirai3, Y. Shimaki3, N. Hirata26, A. Yamaguchi27,4, N. Ogawa3, F. Terui3, T. Yamaguchi28, Y. Takei3, T. Saiki3, S. Nakazawa3, S. Tanaka3,4, M. Yoshikawa3,4, S. Watanabe23,3, Y. Tsuda3,4

1. The University of Aizu, Fukushima, Japan.
2. Brown University, Providence, RI, USA.
3. Institute of Space and Astronautical Science (ISAS), Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), Sagamihara, Japan.
4. The Graduate University for Advanced Studies (SOKENDAI), Kanagawa, Japan.
5. Kwansei Gakuin University, Hyogo, Japan.
6. Ashikaga University, Tochigi, Japan.
7. Tohoku University, Sendai, Japan.
8. Chiba Institute of Technology, Chiba, Japan.
9. Institut d'Astrophysique Spatial, Université Paris-Sud, Orsay, France.
10. Jacobs, Astromaterials Research and Exploration Science, NASA Johnson Space Center, Houston, TX, USA.
11. Planetary Science Institute, Tucson, AZ, USA.
12. Laboratoire d'Etudes Spatiales et d'Instrumentation en Astrophysique (LESIA), Observatoire de Paris, Meudon, France.
13. Osservatorio Astronomico di Roma, Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), Monte Porzio Catone, Italy.
14. Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali, INAF, Roma, Italy.
15. Tokyo City University, Tokyo, Japan.
16. Japan Atomic Energy Agency, Ibaraki, Japan.
17. National Astronomical Observatory of Japan, Tokyo, Japan.
18. National Institute for Environmental Studies, Ibaraki, Japan.
19. Aichi Toho University, Nagoya, Japan.
20. National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Tokyo, Japan.
21. Kochi University, Kochi, Japan.
22. The University of Tokyo, Tokyo, Japan.
23. Nagoya University, Nagoya, Japan.
24. Rikkyo University, Tokyo, Japan.
25. Meiji University, Tokyo, Japan.
26. Kobe University, Kobe, Japan.
27. National Institute of Polar Research, Tokyo, Japan.
28. Mitsubishi Electric Corporation, Kanagawa, Japan.

※(2019.4.19追記)サイエンス誌(2019年4月19日発行)に掲載されました。

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