【背景】
46億年前の初期太陽系星雲の冷たい領域では、水は氷として存在していました。その後、塵が集まって天体サイズが大きくなると、内部温度が上昇して氷が解け、鉱物や有機物と反応します。この主な熱源は短寿命放射性核種の崩壊熱であるため（例：アルミニウムの同位体（26Al）の半減期は 74万年）、より多くの熱源を獲得した古い天体は、若い天体に比べて内部温度が高くなります。また、大きな天体ほど内部に熱を蓄えられるため冷えにくく、高温を保持できる期間が長くなります。そのため、太陽系天体を起源に持つ隕石の構成鉱物が受けた加熱や水との反応の痕跡を調べることで、太陽系の物理的・化学的進化を理解することができます。
本研究では、地球上での変質を経験していない始原的な隕石の一つであるタギシュレイク隕石の中に存在している磁鉄鉱ナノ粒子に注目しました。磁鉄鉱ナノ粒子は、水と岩石との反応で形成してから現在に至るまでの温度や磁場などの環境の情報を記録しています（残留磁化）。例えば，地球の鉱物に対しては、岩石中に残された地磁気の記録から、古い地質変動が調べられ、古地磁気学として発展しました。この手法は隕石に適用され、初期太陽系物質の生成温度や磁場の有無が調べられるなど、その研究分野には長い歴史があります。従来は、目に見える大きさの隕石全体の磁気特性を分析するのに対して、我々は、隕石内の100 nmサイズの磁鉄鉱粒子一つ一つの磁気特性を、ホログラフィー電子顕微鏡（図2）というナノスケールの磁場を可視化できる電子顕微鏡を用いて、13 nmの空間分解能で分析しました。これにより、より詳細な情報を読み解くナノスケール隕石磁気学の新手法を提唱し、太陽系の形成史の一端を明らかにすることに成功しました。
【研究成果】
磁化可能な粒子の磁束密度は加熱して室温に戻すと大きくなります。一方で、粒子が以前に経験した温度よりも低温での加熱では磁束密度に変化は観られません。今回、我々はホログラフィー電子顕微鏡を用いることで、タギシュレイク隕石から取り出した直径100-250 nmの磁鉄鉱ナノ粒子一つ一つの残留磁化が加熱と共に変化する様子を、ナノスケールで可視化することに成功しました（図3）。加熱と冷却を繰り返して調べたところ，粒子ごとに150℃、200℃、250℃と異なる温度で加熱した後に磁束密度の増大が見られました（図4）。これらの温度は磁鉄鉱ナノ粒子が46億年間に経験した最高到達温度を示しています。そこで、タギシュレイク隕石の特徴を元に、その隕石が元々存在した母天体の内部温度が250℃まで上昇する条件を数値シミュレーションで求めたところ、その母天体は太陽系が誕生してから約300万年後に直径160 km以上の大きさで形成したことがわかりました。
今回、磁鉄鉱ナノ粒子の磁束密度の増大が見られた温度は生成温度に対応しています。すなわち、磁鉄鉱ナノ粒子は、母天体内部が250℃以上に加熱された後に150℃まで冷却する過程の100℃も異なる温度で生成したことが明らかになりました。今回観察した磁鉄鉱ナノ粒子が、異なる温度で生成するためには短い時間スケールで冷却される必要があります。計算サーバによる数値シミュレーションから、小天体内部が自然に冷却するには400万年という長い時間がかかることがわかり、効率的な冷却機構の存在が示唆されました。これまでの研究によると、タギシュレイク隕石には、衝突などによって一度壊れた天体が再び集まって形成した痕跡があり、また太陽系外縁部の冷たい領域で形成した後に、内側領域に移動したと考えられています。そこで、衝突を考慮した数値シミュレーションを行ったところ、氷が解けて水になるほどまで加熱された母天体に直径10 kmの小天体が秒速5 kmで衝突することで250℃から150℃まで短時間で冷やされうることがわかりました（図5）。衝突は、太陽系が誕生してから400万年から500万年の間に起った、特殊な状況を考えても700万年後までには起こったと考えるのが妥当であることを本研究で示しました。
太陽系外縁部では天体への衝突速度は小さいことが知られており、秒速5 kmの衝突は、天体の公転軌道が変化して外側から内側領域へと移動した時に起こったとすると無理なく説明できます。太陽系の初期には、木星が形成してから50-250万年後に小天体の軌道変化を引き起こしたと考えられています。従来、木星の形成時期は太陽系誕生後数百万年から6億5千万年の間で論争が続いていました。我々の結果は、木星が非常に効率良く形成したことを支持しており、この論争に一石を投じるものです。
【今後への期待】
タギシュレイク隕石の母天体に含まれていた水は、アミノ酸の合成に適していたにもかかわらず、その量はほかの同種の隕石に比べて少ないことが知られていますが、その理由はわかっていませんでした。衝突による冷却時間の短縮は、これを説明できるため、初期太陽系星雲内の有機物の生成や多様化の理解にもつながると期待されます。近年、隕石の構成鉱物を対象にした太陽系の研究は、主に同位体分析を元に進められてきました。鉱物内の磁場をナノスケールで可視化した本研究は、当該分野に新たな研究手法を提唱する点からも重要な成果です。はやぶさ2が2020年12月に持ち帰った小惑星リュウグウの微小な岩石に対して同様の手法を行うことで、初期太陽系の理解をさらに深められると期待されます。
