北大など、リュウグウ試料の表面に初期太陽系の新たな磁気記録媒体を発見

北海道大学(北大)、ファインセラミックセンター(JFCC)、神戸大学、東北大学、東京大学(東大)、京都大学(京大)の6者は4月30日、小惑星探査機「はやぶさ2」がリュウグウから回収した試料(以下、試料)の表面を詳細に調べたところ、「マグネタイト(磁鉄鉱)」(Fe₃O₄)粒子が還元して非磁性となった、似た構造の木苺状組織を発見し、「擬似マグネタイト」(擬似Fe₃O₄)と命名したことを共同で発表した。

また、それを取り囲むように点在する渦状の磁区構造を持った多数の鉄ナノ粒子からなる新しい組織も同時に発見したと併せて発表した。

同成果は、北大 低温科学研究所の木村勇気教授、JFCCの加藤丈晴主席研究員、同・穴田智史上級研究員、同・吉田竜視上級技師、同・山本和生主席研究員、日立製作所 研究開発グループの谷垣俊明主任研究員、神戸大大学院 人間発達環境学研究科の黒澤耕介准教授、東北大大学院 理学研究科の中村智樹教授、東大 理学系研究科の佐藤雅彦助教(現・東京理科大学 准教授)、同・橘省吾教授、京大大学院 理学研究科の野口高明教授、同・松本徹特定助教らの共同研究チームによるもの。今回の研究は、はやぶさ2の「初期分析チーム」の「石の物質分析チーム」による初期分析の一環として行われた。詳細は、英オンライン科学誌「Nature Communications」に掲載された。

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  宇宙塵がリュウグウに衝突した跡から、リュウグウ試料と、同試料に記録されていた磁場の渦を電子の波で観察したイメージ(出所:東大Webサイト)

宇宙風化作用の痕跡を調べることで、天体表面の年代に関する情報など、惑星間プロセスを理解できると考えられている。これまでの試料の初期分析からも、その痕跡として、小惑星内部で水質変質により形成される主要鉱物の「層状ケイ酸塩」が、太陽風や宇宙塵の衝突によって部分的に脱水した組織であるということが確認されている。このように、層状ケイ酸塩に対する宇宙風化作用は徐々に解明されつつあるが、もう1つの重要な鉱物であるFe₃O₄の宇宙風化作用に関する研究は限られていたという。そこで今回の研究では、宇宙風化作用を受けたFe₃O₄をさらに詳細に分析することにしたとする。

まず、集束イオンビーム加工装置を用いて試料の超薄切片が作製され、宇宙風化作用を受けている試料表面のFe₃O₄粒子の磁束分布が、ナノスケールの磁場を可視化できる電子線ホログラフィ(EBH)専用電子顕微鏡(TEM)により直接観察が行われた。さらに、通常のTEMによる微細組織観察、結晶構造解析、元素組成分析、電子エネルギー損失分光分析も実施された。

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  試料から切り出されたFe₃O₄粒子(丸い粒子)。(A)TEM像。(B)EBHにより得られた磁束分布像。粒子内にある同心円状の縞は磁力線に相当。これは渦状磁区構造と呼ばれ、一般的なハードディスクよりも安定で、46億年以上にわたって磁場の記録を保持できる(出所:北大プレスリリースPDF)

超薄切片中のFe₃O₄粒子の通常TEM像と対応する磁束分布像から、同粒子内には渦状の磁区構造を観察。同構造は非常に安定で、46億年以上にわたって磁場を記録し続けることが可能だという。つまり、同粒子は初期太陽系の星雲磁場という重要な環境情報を記録している天然のハードディスクというわけである。

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  試料から切り出された超薄切片に含まれていた擬似Fe₃O₄(丸い粒子)。(A)TEM像。(B)大きな四角で示された領域をEBHで観察した結果得られた磁束分布像。粒子内に磁力線に相当する縞模様は見られず、磁区構造がないことがわかる。オレンジの点線の小さな四角の領域は、画像4(C)に示されている(出所:北大プレスリリースPDF)

また、同じ試料の異なる領域から切り出された超薄切片のTEM像と磁束分布像においても、同様の粒子(水質変質を経験した隕石によく見られるFe₃O₄粒子から成る「木苺状組織」)が確認された。しかし、同粒子の磁場が計測されたところ、渦状構造では無く、のっぺりとした均質のコントラストが示されたという。つまり、同粒子はFe₃O₄に似た組織ではあるが、実際にはFe₃O₄の特徴である磁石としての性質が失われていたのである。詳細な分析の結果、同粒子はFe₃O₄と、それが還元することで形成される「ウスタイト」(FeO)の両方の特徴を持っていることが判明。これまでに知られていないタイプの木苺状組織だったことから、擬似Fe₃O₄と命名された。

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  擬似Fe₃O₄の周囲に分布している鉄ナノ粒子。(A)画像3の左上の領域を走査型TEMで撮影した暗視野像(画像3とは白黒が反転)。(B)対応する鉄の分布像。矢印は鉄ナノ粒子。(C)(A)と(B)の中央領域(画像3(A)の小さな四角の領域)の磁束分布像。擬似Fe₃O₄には磁力線が見られない一方、鉄粒子内には同心円状の渦状磁区構造が見られる(出所:北大プレスリリースPDF)

さらに、その周囲には鉄ナノ粒子が多数存在しており、その磁場も観察された。すると、Fe₃O₄同様の渦状磁区構造が示され、同ナノ粒子も長期間にわたって、その形成時の磁場情報を保持できることが示されているとされた。

詳細な組織観察と元素分布から、擬似Fe₃O₄と鉄ナノ粒子は宇宙塵の衝突による加熱で形成されたこと、1回の衝突で残留磁化計測が可能になる～1万個ほどの同粒子が形成されることがわかったという。

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  宇宙塵がリュウグウ表面へ衝突する様子の一例(時間経過は左→右)。最終的な温度が色で示されている。黄色領域ではFe₃O₄が熱で分解して還元される。衝突体の半径と同程度の厚みまで加熱されていることがわかる。国立天文台 天文シミュレーションプロジェクトの計算機を使用してシミュレーションが行われた(出所:北大プレスリリースPDF)

最後に、このような組織の形成条件について、把握済みの試料の正確な物性値を用いた詳細なシミュレーションが行われた。その結果、星雲磁場が消滅した後の時代にリュウグウの母天体に直径2～20マイクロメートルの非常に小さい宇宙塵が秒速5km以上の速度で衝突することで、同組織が形成されることが判明。これにより、同組織は、水質変質が終わった後の時代における太陽系の磁場情報を記録した新しい組織であると結論付けられた。

今回発見された鉄ナノ粒子は、高い磁気安定性を示す渦状磁区構造を有しており、衝突時に形成された当時の磁場情報を記録している可能性があることから、今後、初期太陽系のより幅広い磁場環境の理解につながることが期待されるとしている。