概要
太陽系初期段階で形成された鉱物や分子を最も良く保存する天体の特徴を調べることは、太陽系が形成され、その中で生命惑星である地球が生まれた過程を理解するための鍵である。JAXAの「はやぶさ２」ミッションは、小惑星リュウグウ、すなわち水や炭素など揮発性成分を多く含むとされる始原的小惑星（C型小惑星※1 ）の表面から史上初めて試料を持ち帰り [1,2]、試料の地上設備を使った分析からリュウグウの特徴を記載することを可能にした。その試料はJAXAの地球外物質キュレーションセンターにて保管され、非汚染かつ非破壊の初期記載が最初に実施された。そこにおいて活躍したのが、フランス宇宙天体物理学研究所（IAS）で開発された赤外分光顕微鏡マイクロオメガである。これは近赤外域の波長帯（0.99-3.65 µm）で数10 µmの空間解像度にて試料を観察することから、試料を構成する鉱物やそこに存在する分子を調べることができるものである。試料全体にわたって観察される中心波長2.7 µmの強い吸収からOH基に富む成分の存在、すなわち、水と鉱物が反応してできた含水鉱物の存在が示唆される。同様に、試料全体に3.4 µmでの吸収が見られ、ここから有機物の存在が示唆される。加えて、高空間分解能を生かすことで、1 mm以下のスケールで炭酸塩やNH基に富む成分を検出することができた。試料は、原始太陽系円盤に浮かんでいた揮発性成分に富む塵粒子そのままの初期物質と、塵が集積して形成された小天体において変成作用を経た相の両方を保持しているということであり、洗練された分析手法を適用することで、太陽系初期における物質進化の解読が可能となることを期待させる。
背景
「はやぶさ２」はC型小惑星リュウグウの表面で2回の試料採取に成功し、2020年12月6日に地球帰還した。1回目の採取はリュウグウの表層から、2回目は人工衝突実験によって形成したクレータ近傍のイジェクタ堆積地域からで、地下物質の混入が期待される[3]。1回目と2回目の採取試料はそれぞれ帰還試料コンテナのA室とC室に収納され、「バルクA」「バルクC」試料と呼ばれる。地球帰還後にはJAXA宇宙科学研究所のキュレーション設備に保管され、初期記載を進めている。初期記載全般は矢田他[4]に詳しい。本論文では分光顕微鏡マイクロオメガでの初期記載について記載する。帰還試料の初期記載において、近赤外ハイパースペクトル顕微撮像、すなわち視野全域の平均値とともに、高い空間解像度で個別粒子ごとや粒子の局所領域ごとに、水や有機物の吸収帯を含む波長域のスペクトル測定を史上初めて実施した。その成果は2021年夏の詳細分析を実施する初期分析チーム等への情報提供や、2022年に実施予定の公募研究のための配布資料カタログの作成に活用される。
マイクロオメガについて
マイクロオメガ[5]は、近赤外線（0.99～3.65 µm）を音響光学素子（AOTF）によって波長10～20 nmの波長幅で走査した単色光源を試料に照射し、約5x5 mm2 の領域を2次元検出器（HgCdTe検出器、256x250画素）で撮像する。解像度は約22.5 µm/pixであり、画素毎に最大400波長チャンネルの反射分光スペクトルを取得できる。画素あたりの照射強度は微弱（≤10-8 W/pix）であり、試料とは非接触であるため、非破壊・非汚染のままで分析できる。始原的隕石に含まれる主要な鉱物や分子種・官能基（例えば、苦鉄質鉱物、変成相、氷(OH基)、脂肪族/芳香族(CH基)、窒素化合物(NH基)など）の特徴を検知可能である[6-9]。
バルク試料の観察結果
「はやぶさ２」帰還試料は、A室とC室の試料をそれぞれ3皿ずつの試料容器に（A1～A3、C1～C3）に分取され、試料の平均的特徴を把握するため、マイクロオメガで測定した。取得したデータはノイズ除去や較正の手順に従って適切に処理される [10]。バルクＡおよびバルクＣの試料を数mmスケールで平均したスペクトルを図1に示す。この結果は矢田他[4]のフーリエ赤外分光（FTIR）による結果とほぼ一致する。また、「はやぶさ２」搭載の近赤外分光計NIRS3 [11]による数mスケールでの平均スペクトルと同様のパターンを示す。すなわち、反射率は波長全域で2～3％と、光学航法カメラONCやNIRS3 [11,12] の結果とよく一致し、リュウグウがC型小惑星に分類されることとも整合する[13,14]。また、OH基と比定される中心波長2.715±0.005 µmの強くシャープな吸収帯（「2.7 µm帯」と呼ぶ）は、NIRS3のスペクトルの特徴と類似する。リュウグウの表層から採取したバルクAと地下物質が含まれると考えられるバルクCの結果に有意な差異は見られない。一方、帰還試料の2.7 µm帯の吸収深さは12～18 ％であり、NIRS3の7～10 ％に比べて深い（図1、[11,15]）。この相違は、機器特性に依存する可能性も残されるが、小惑星表面の観測時の太陽光照射条件の違いや日影の影響、試料採取時に生じた微小なクラックなどの破砕に起因する可能性がある。いずれにせよ、バルク試料の分光的特徴は、リュウグウがほぼ全球に渡って2～3％の低反射率であり、かつ2.7 µm帯の狭い吸収がほぼ均一であるというONCやNIRS3による観測結果とよく一致していることから、この数mmスケールのバルク試料はリュウグウの表層物質を代表する物質と考えられる。
バルク試料に共通の特徴は2.7 µm帯に加えて、3.3～3.5 µmの波長域に2～3％の深さの吸収帯があり（図2，「3.4 µm帯」とよぶ）、様々な有機物(CH基)に比定される。より弱い吸収帯が3.06 µmと周辺の微弱な吸収が存在し（まとめて「3.1 µm帯」とよぶ）、氷やアンモニア（NH基）に比定される。
図1：マイクロオメガによるバルクA試料(a)およびバルクC試料(b)の典型的なスペクトルと、近赤外分光計NIRS3の表面（標準表面）(c)とSCI衝突クレータ内部(d)ので規格化スペクトルとの比較。NIRS3のスペクトルは波長2 µmで反射率2％として規格化している。縦破線はマイクロオメガの最大の吸収波長位置を示す。 （Pilorget et al. 2021）
図2：バルクA試料中のある領域のCHに富むスペクトル(a)と、炭酸塩に富む場所の典型的スペクトル(b)との比較で、3.4µm帯の相違点を示す。両方とも3x3画素の平均スペクトルである。3.32µm、3.41µm、3.455µmの縦破線は各吸収帯の位置と形状の相違を示す。 （Pilorget et al. 2021）
空間解像観察結果
マイクロオメガによる解像度1mm以下のスケールで分析が可能なことによって、個別粒子ごとの違いや粒子内部の局所地域ごとの測定精度が向上するため、吸収帯のスペクトルの中心波長や形状の違いが検知でき、より詳細な議論が可能になる。実際に、リュウグウ表面で小型着陸機MASCOT※2 に搭載されたカメラ(MASCam)による観察結果 [16] と同様な不均一性も観測された。粒子は概して低反射率で角張った形状をもち、少なくとも50 µm以上の大きさをもつ、隕石中のコンドリュール※3 のような球粒状組織は見つかっていない。
3.4 µm帯については、個別粒子の観測においては高精度な分光観測が可能であるため、大部分の粒子で脂肪族有機物の特徴を示すことが判明し[17,18]、かつCH2伸縮に起因する3.41 µmの吸収がCH3由来の3.38 µmの吸収よりも卓越することから（図2a）、脂肪族の炭素鎖が長い(重合度が大きい)ことを示唆する[18]。3.1 µm帯についても、粒径数100 µmの粒子の場合（図3b）、反射率は約10％と高く、2.7 µm帯の深い吸収が存在(~45 %)し、かつ強い3.06 µmとやや弱い3.24 µmの複合吸収帯があることから、ヒドロキシル化した窒素に富む相と考えられ[19,20]、NH4ケイ酸塩、NH4水酸化塩に富む有機物が候補である。
空間解像観察結果：炭酸塩の検出
多くの粒子に共通する上記の特徴に加えて、炭酸塩も検出された。炭酸塩の存在は水質変成を想起させることから注目すべきである。全体の1％弱にあたる粒径数10～数100 µmの個別粒子や粒子内含有物では3.4 µm帯の特徴が脂肪族有機物とは異なり、炭酸塩である特徴を示す。また、粒子表面の5％程度の領域で、炭酸塩が含まれるようなスペクトル形状を示すことから、炭酸塩が多数の粒子中に、微小な粒子として含まれている可能性が高い。炭酸塩の最大粒子は、試料容器A1内で発見された粒径400 µmのものであり、粒子全体が炭酸塩の特徴を示す。炭酸塩に特徴的な2.3 µm、2.5 µmと強い3.3～3.5 µmの二重ピーク(図2)や台形(図4)の特徴を示し、さらに波長1.6 µm以下で赤化（長波長側ほど反射率が増加）による傾斜が見られる[21]。この赤化はFe2＋による影響であり、変成作用によってMgやCaなど他の陽イオンと交換されたと考えられる。この赤化の特徴は粒径100 µm以上の大きい炭酸塩粒子で見られるが、それ以下の炭酸塩粒子では弱く、Fe2＋に乏しいようだ。一方、測定した全ての炭酸塩で3.32～3.45 µmの二重ピークの波長位置は均一で同じ化学的性質を示す。この結果から、別の天体で生成した炭酸塩が混合したのではなく、リュウグウ母天体内部の同じ前駆物質から、変成作用の程度の違いによって赤化の多様性が形成されたことを示唆する。なお、隕石中でよく発見されるように、Ｃaに富む炭酸塩が、マイクロオメガの測定限界である粒径50 µm以下の細粒として多数存在する可能性があり、初期分析による高精度・高解像度な初期分析の結果が待たれる。
空間解像観察結果：水酸化塩の検出
その他の特徴で、水酸化塩も検知された。これも水質変成が起きた重要な証拠となり得る。図3aに示すようなOH基と比定される幅広の3 µmの吸収帯と狭い2.7 µm帯を併せ持ち、数個ずつであるがバルクAとバルクCの両方で存在が確認されている。2.1～2.2 µmに微弱な吸収帯が見られることや、2.7 µm帯のピーク位置がバルク試料に比べて10 nmほど長波長側にシフトしている特徴から、Al-OHに富む化合物、おそらく水酸化アルミニウムのダイアスポアと思われる。1.9 µmでの水和物の明瞭な吸収がみられないため、水（H2O）の化合物である可能性は低い。
図3：バルクA試料中のOHに富む大きな変成粒子 (a)とバルクC中のNHに富む粒子(b)のスペクトルの比較（右図）。これらの試料付近のRGB画像も示す（左図）。ここで、左上図ではR:2.5µm、G：3.2µm、B:3.6µm、左下図ではR:2.5µm、G:3.05µm、B:3.4µmである。スペクトルは、9x9画素の平均(a)、6x5画素の平均(b)である。縦破線はNHに富む成分の特徴である3.06µm、3.24µmを示す。 （Pilorget et al. 2021）
図4：バルクA1試料中の炭酸塩の平均スペクトル(100画素)(a)を、参照スペクトルRELAB libraryと比較した（シデライト(b)：bkr1cb071a、ドロマイト(c)：bkr1cb017a、カルサイト(d)：bkr1jb549）。また、炭酸塩粒子を含む領域のRGB画像を示す（左、R:2.5µm、G：2.7µm、B：3.4µm）。参照スペクトルは比較用に値を1/6にした。縦破線は炭酸塩由来の2.3µmと2.51µmで、吸収波長の位置と形状の類似性や相違性を示す。 （Pilorget et al. 2021）
結論
以上のように、マイクロオメガによるリュウグウ帰還試料の赤外分光顕微撮像の結果から示唆されることは、リュウグウは全球規模にわたってOH基、CH基、NH基に富む物質が分布し、さらに炭酸塩のような変成相も存在する多様性に富む物質であることである[22]。炭酸塩が存在する兆候は、OSIRIS-RExの探査天体の小惑星ベンヌ[23]でも検出されている。おそらく外惑星系に由来すると考えられる、有機物等の高揮発性成分が存在することから、リュウグウは始原的な材料物質を保存しており、同時に炭酸塩などで見られる多様性から示唆されるように変成作用を経た物質も含まれる。低反射率で暗いマトリクスの主成分は層状ケイ酸塩と考えられるが、その中にCH基に富む含有物が（画素以下の数µmサイズと思われるが）広く分布するようだ。NH基に富む成分も同様に広く分布するようだ。炭酸塩にみられる陽イオンの存在度の多様性から、様々な変成度のものが混在しており、CMコンドライト※4よりもむしろCIコンドライト※5の状態に近い[24,25]。コンドリュールや難揮発性含有物が発見されていない点も、CIコンドライト的な特徴を示している。「はやぶさ２」帰還試料は実験室で入手できる最も始原的な試料の一つであり、太陽系の起源と進化の概念を再考させることになるであろう、唯一で貴重なコレクションである。
用語解説
※1 C型小惑星
低反射率で波長依存性が乏しい反射特性をもつ小惑星であり、主に小惑星帯の外側に多く分布する。炭素質コンドライトと呼ばれる水や炭素など揮発性の成分を多く含む種類の隕石の反射特性と似ており、それらの母天体と考えられている。
※2 MASCOT
ドイツ航空宇宙センターとフランス国立宇宙研究センターで共同開発し、「はやぶさ２」に搭載した10kg級の小型着陸機で、17時間にわたってリュウグウ表層で観測を実施した。
※3 コンドリュール
隕石中にみられる数mm以下の球粒状の含有物。
※4 CMコンドライト
炭素や水を含み、コンドリュールを多く含む始原的な石質隕石
※5 CIコンドライト
炭素や水を多く含む始原的な石質隕石であるが、コンドリュールを含まない。太陽系の平均元素組成に最も近い組成をもつ。
論文情報
原題：First compositional analysis of Ryugu samples by the MicrOmega hyperspectral microscope
雑誌名: Nature Astronomy, 2021年12月21日（日本時間）
DOI： 10.1038/s41550-021-01549-z
主著者名・所属：Cedric Pilorget （パリ・サクレー大学 宇宙天体物理学研究所）
著者名：C. Pilorget1, 岡田達明2,3[Co-PI], V. Hamm1, R. Brunetto1, 矢田達2, D. Loizeau1, L. Riu2, 臼井寛裕2,3, A. Moussi-Soffys4, 畠田健太朗2,5, 中藤亜衣子2, 与賀田佳澄2, 安部正真2,6, A. Aléon-Toppani1, J. Carter1, M. Chaigneau1, B. Crane1, B. Gondet1, 熊谷和也2,5, Y. Langevin1, C. Lantz1, T. Le Pivert-Jolivet1, G. Lequertier1, L. Lourit1, 宮﨑明子2, 西村征洋2, F. Poulet1, 荒川政彦7, 平田成8, 北里宏平8, 中澤暁2, 竝木則行9, 佐伯孝尚2, 杉田精司3, 橘省吾2,3, 田中智2,6,10, 吉川真2,6, 津田雄一2,6, 渡邊誠一郎11, J.-P. Bibring1[PI].
[1] パリ・サクレー大学 宇宙天体物理学研究所（フランス）
[2] 宇宙航空研究開発機構（JAXA）宇宙科学研究所
[3] 東京大学 本郷キャンパス
[4] フランス国立宇宙研究センター
[5] 株式会社マリン・ワーク・ジャパン
[6] 総合研究大学院大学（総研大）
[7] 神戸大学
[8] 会津大学
[9] 国立天文台
[10] 東京大学 柏キャンパス
[11] 名古屋大学
参考文献
[1] Watanabe, S. et al., Hayabusa2 arrives at the carbonaceous asteroid 162173 Ryugu--A spinning top-shaped rubble pile, Science 364(6437), 268-272, 2019.
[2] Morota, T., et al., Sample collection from asteroid (162173) Ryugu by Hayabusa2: Implications for surface evolution, Science 368(6491), 654-659, 2020.
[3] Arakawa, M., et al., An artificial impact on the asteroid (162173) Ryugu formed a crater in the gravity-dominated regime, Science 368(6486), 67-71, 2020.
[4] Yada, T., et al., Preliminary analysis of the Hayabusa2 samples returned from C-type asteroid Ryugu, Nature Astronomy, this issue. Doi:10.1038/s41550-021-01550-6.
[5] Bibring, J. -P., et al., The MicrOmega investigation onboard ExoMars, Astrobiology, 17(6-7), 621-626, 2017.
[6] Hunt, G.R., Spectral signatures of particulate minerals in the visible and the near infrared, Geophysics, 42(3), 501-513, 1977.
[7] Clark, R.N., et al., High spectral resolution reflectance spectroscopy of minerals, J. GeoPhys. Res., 95 (B8), 12653-12680, 1990.
[8] Clark, R.N., et al., Refelectance spectroscopy of organic compounds: 1. Alkanes, J. GeoPhys. Res., 114 (E03001) 1-19, 2009.
[9] Ferrari, M., et al., Reflectance spectroscopy of ammonium-bearing phyllosilicates, Icarus, 321, 522-530.
[10] Riu, L., et al., The on-ground calibration performances of the hyperspectral microscope MicrOmega for the Hayabusa-2 mission, Planetary and Space Science, 152, 31-44, 2018.
[11] Kitazato, K., et al., The surface composition of asteroid 162173 Ryugu from Hayabusa2 near-infrared spectroscopy, Science 364(6437), 272-275, 2019.
[12] Sugita, S., et al., The geomorphology, color, and thermal properties of Ryugu: Implications for parent-body processes, Science 364(6437), 252-252, 2019.
[13] Binzel, R.P., et al., Physical Properties of Near-Earth Objects. pp. 255-271, 2002.
[14] Vilas, F., Spectral characteristics of Hayabusa 2 Near-Earth Asteroid Targets 162173 1999 JU3 and 2001 QC34., Astron. J., 135 (4), 1101-1105, 2008.
[15] Kitazato, K., et al., Thermally altered subsurface material of asteroid (162173) Ryugu, Nature Astronomy 5, 246-250, 2021.
[16] Jaumann, R., et al., Images from the surface of asteroid Ryugu show rocks similar to carbonaceous chondrite meteorites, Science 365(6455), 817-820, 2019.
[17] Kebukawa, Y., et al., Compositional diversity in insoluble organic matter in type 1, 2 and 3 chondrites as detected by infrared spectroscopy, Geochimica et Cosmochimica Acta, 75(12), 3530-3541, 2011.
[18] Kaplan, H., et al., Reflectance spectroscopy of insoluble organic matter (IOM) and carbonaceous meteorites, Meteoritics & Planetary Science 54(5), 1051-1068, 2019.
[19] Ferrari, M., et al., Reflectance spectroscopy of ammonium-bearing phyllosilicates, Icarus 321, 522-530, 2019.
[20] Ehlmann, B. L., et al., Ambient and cold-temperature infrared spectra and XRD patterns of ammoniated phyllosilicates and carbonaceous chondrite meteorites relevant to Ceres and other solar system bodies, Meteoritics & Planetary Science 53(9), 1884-1901, 2018.
[21] Hunt and Salisbury, Visible and near-infrared spectra of minerals and rocks: II Carbonates, Modern geology, 2, 23-30, 1971.
[22] Endress, M., et al. Early aqueous activity on primitive meteorite parent bodies, Nature 379, 701-703, 1996.
[23] Kaplan, H.H., et al., Bright carbonate veins on asteroid (101955) Bennu: Implications for aqueous alteration history. Science 370(6517), issue 6517, id.eabc3557, 2020.
[24] Endress, M. and Bischoff, A., Carbonates in C1 chondrites: Clues to parent body evolution, Geochimica et Cosmochimica Acta, 60, 3, 489-507, 1996.
[25] De Leuw, S., et al., Carbonates in CM chondrites: Complex formational histories and comparison to carbonates in CI chondrites, Meteoritics & Planetary Science, 45, 4, 513-530, 2010.
