太陽風で小惑星の有機物はどう変わる？　隕石実験で脂肪族と芳香族に耐性の差

マーチソン隕石を使った実験で、太陽風を模したヘリウムイオン照射に対し、有機物の種類によって変化の程度が異なることが示された。脂肪族炭化水素が最も大きく変化する一方、芳香族炭化水素は比較的高い耐性を示した。小惑星表面の観測や帰還試料から、太陽系初期の有機化学を読み解くための手掛かりとなる。

■太陽風への800年相当の曝露を隕石で再現

中国科学院地球化学研究所のFuting Yin氏、Hong Tang氏らの研究チームは、マーチソン隕石にヘリウムイオン（He⁺）を照射した。研究は2026年10月31日、学術誌「Journal of Geophysical Research: Planets」で公開された。

照射量は1平方センチメートル当たり1.2×10¹⁷イオンだった。研究チームはこれを、C型小惑星表面で約800年間に受ける太陽風への曝露に相当する条件として設定した。

チームはラマン分光法とナノスケール赤外分光法（nano-IR）を組み合わせ、照射に伴う有機物の変化を調べた。論文によると、照射後には有機物の構造的な乱れが増し、有機物量が減少した。研究チームは、高分子有機物の炭素結合の切断と、構成する原子や分子が表面から放出されるスパッタリングによるものと説明している。

■初期太陽系の有機化学を伝えるマーチソン隕石

マーチソン隕石は、1969年9月28日にオーストラリア・ビクトリア州に落下したCM2炭素質コンドライトである。米アリゾナ州立大学によると、回収された破片の総量は100kgを超える。有機物に富む隕石として、半世紀以上にわたって研究されてきた。

含まれる有機物は、大きく不溶性有機物（IOM）と可溶性有機物（SOM）に分けられる。IOMは、芳香族構造や脂肪族構造などが結び付いた複雑な高分子物質である。SOMには、水や有機溶媒で抽出できるアミノ酸、カルボン酸、核酸塩基、アルデヒドなどが含まれる。

その分子組成は非常に多様だ。Schmitt-Kopplin氏らが2010年に発表した質量分析研究では、マーチソン隕石のメタノール抽出物から、所定の検出条件で3万1554本の信号が得られ、そのうち1万5380本に炭素、水素、窒素、酸素、硫黄からなる分子組成が割り当てられた。

こうした有機物には、太陽系形成前後の低温環境での化学反応や、母天体内部で水が関わった反応の履歴が刻まれている。形成時の化学組成と、その後に表面で受けた変化を分けて考えることが、小惑星の有機物を理解するうえで重要になる。

■太陽風が表面の物質を変える仕組み

太陽風は、太陽から流れ出すプラズマで、陽子やヘリウムイオン、電子などを含む。JAXAによると、地球軌道付近での速度は毎秒400〜800kmに達する。太陽風の代表的なエネルギーは、核子当たり約1keV程度である。

高エネルギーのイオンが物質に入り込むと、原子との衝突や電子との相互作用を通じてエネルギーを渡す。その過程で化学結合が切れたり、原子配列が乱れたりする。表面付近の原子や分子が外へ飛び出すスパッタリングも、組成を変える要因となる。

大気のない天体では、太陽風への曝露や微小隕石の衝突などによって表面の性質が変化する。この総称が宇宙風化だ。ケイ酸塩に富む天体では、微細な金属鉄の形成、鉱物表面の非晶質化、反射スペクトルの赤化や暗化などが知られている。

有機物に富む炭素質の天体では、鉱物の変化に加え、有機物そのものの構造や組成の変化も観測に影響する。今回の研究は、有機物をひとまとめに扱うのではなく、その種類ごとの照射応答に着目した。

■nano-IRで有機物と鉱物の分布を捉える

ラマン分光法は、光の散乱を利用して分子や炭素構造を調べる手法である。炭素質物質では、DバンドやGバンドと呼ばれるスペクトルの特徴から、高分子有機炭素の構造や乱れについて情報が得られる。

一方、nano-IRは原子間力顕微鏡と赤外分光を組み合わせる。赤外光の吸収に伴う局所的な応答を探針で捉え、数十nm程度の微小領域で化学構造を調べられる。隕石のように鉱物と有機物が細かく混じり合う試料では、両者の位置関係を保ったまま分析できる点が強みとなる。

今回の研究チームは、隕石の細粒な基質から、カルボン酸、脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素、アミド、アミノ酸、アルデヒドに対応すると解釈した6種類の赤外スペクトルの特徴を報告した。これらは層状ケイ酸塩と密接に関連して分布していた。

層状ケイ酸塩は粘土鉱物の仲間で、炭素質コンドライトの母天体で起きた水質変成と関わりが深い。有機物と鉱物の微細な分布を調べることは、水と岩石、有機物の相互作用を理解する助けになる。横浜国立大学の研究チームも2019年、nano-IRによる炭素質コンドライト中の有機物・鉱物の分析を報告している。

■脂肪族と芳香族で異なる照射への応答

今回の照射条件で最も大きく変化したのは脂肪族炭化水素であり、芳香族炭化水素は比較的変化しにくかった。脂肪族の構造には、メチレン基（CH₂）やメチル基（CH₃）などが含まれ、隕石の高分子有機物を構成する鎖や側鎖にも存在する。

芳香族構造の代表例はベンゼン環だ。環状に広がったπ電子が特定の結合に局在せず、構造を安定化させるという特徴がある。今回観測された耐性の違いを考えるうえでは、こうした分子構造の違いが手掛かりになる。

宇宙風化によって有機物の構成比が変わることは、先行実験でも検討されてきた。Thompson氏らは2020年、微小隕石の衝突加熱を模したパルスレーザーをマーチソン隕石に照射し、照射領域で芳香族有機物の信号が強くなることを報告した。有機物の分析には、2段階レーザー質量分析法を用いていた。

また、Laczniak氏らが2024年に発表した研究は、水素イオンとヘリウムイオンの照射に対するマーチソン隕石の応答を、粒子の入射率を変えて調べたものだ。X線光電子分光では、表面炭素のわずかな減少が報告されている。照射条件と分析手法を組み合わせることで、表面変化の理解が進んでいる。

■リュウグウとベンヌの試料を読み解く

JAXAの「はやぶさ2」は2020年12月6日、リュウグウの試料約5.4gを地球に届けた。NASAの「OSIRIS-REx」は2023年9月24日にベンヌの試料を帰還させ、NASAが2024年2月に公表した回収量は121.6gだった。

リュウグウはC型、ベンヌは炭素質の小惑星に含まれるB型に分類される。比較対象となる隕石にも違いがあり、リュウグウ試料はCI炭素質コンドライトに近い性質を持つ。ベンヌの遠隔観測では、CI型やCM型の隕石との類似性が指摘されてきた。

はやぶさ2は、表面物質に加え、人工クレーターの形成で掘り出された地下由来の物質も採取した。Le Pivert-Jolivet氏らが2023年に発表したMicrOmegaによる分析では、177粒の約2.7µmのOH吸収を調べ、地下由来の粒子の多くに宇宙風化の特徴が見られないことを報告している。

今回の研究チームは、脂肪族と芳香族の照射耐性の違いが、リュウグウやベンヌの表面に見られる芳香族成分の存在を説明する一因となる可能性を挙げている。帰還試料の分析では、有機物の組成とともに、粒子が表面で受けた曝露や鉱物との位置関係を調べることが、変化の履歴を読み解く助けになる。

■遠隔観測と微小領域の分析をつなぐ

小惑星の有機物を遠隔観測する際、重要な指標となるのが約3.4µmの赤外吸収である。この波長帯には、CH₂基やCH₃基などの脂肪族C-H結合の伸縮振動に由来する吸収が現れる。

Kaplan氏らは2021年、OSIRIS-REx搭載の可視・赤外分光計OVIRSで得たベンヌのスペクトルを分析し、有機物に対応する吸収を報告した。同研究は、脂肪族成分の変化によって3.4µm付近の吸収が弱まり得ることも論じている。観測される吸収の強さには、有機物の量に加え、その組成や、近い波長に吸収を持つ炭酸塩も影響する。

太陽風によって脂肪族成分が減れば、表面で見える有機物の特徴も変わり得る。遠隔観測、帰還試料、実験室での照射実験を照らし合わせることで、形成時から残る特徴と、その後の表面変化を理解しやすくなる。地下物質や新たに露出した物質の分析も、その比較に役立つ。

広い領域の平均的な組成を調べる測定に、nano-IRによる局所分析を組み合わせれば、有機物の分布と種類ごとの変化を対応付けられる。今回の成果は、小惑星の有機物が宇宙環境でどのように変化し、保存されるかを検討するための実験的な情報を加えるものだ。

論文の著者はFuting Yin、Hong Tang、Tian Zhang、Tingfeng Cheng、Xiongyao Li、Hong Jin、Yuanyun Wen、Xiangliang Pan、Jianzhong Liuの各氏。論文名は「He⁺ Irradiation of the Murchison Meteorite: Insights Into the Effect of Solar Wind Irradiation on Different Types of Organic Matter」で、関連データの公開先としてScienceDBが案内されている。

元記事: Solar Wind Strips Aliphatic Organics From Asteroid Surfaces, Sparing Aromatics: Study