火星コア物質の音速測定に成功 〜火星コアの組成と火星の起源解明に向けて〜

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プレスリリース
西田 圭佑助教、船守 展正 教授、 廣瀬 敬教授

発表のポイント

  • 日本が世界に誇る川井型マルチアンビルプレス(注1)を用いた高圧発生技術、SPring-8(注2)/JASRIおよび高エネルギー加速器研究機構(KEK)フォトンファクトリー(PF)(注3)の放射光X線により、火星コア(注4)の最上部に相当する20万気圧2000度という高圧高温の極限条件下で、液体鉄−硫黄合金の音速(地震波速度)の精密測定に世界で初めて成功しました。
  • 従来、火星由来とされる隕石の化学組成から、火星コアは鉄−硫黄合金で出来ていると考えられてきました。現在稼働中のNASAの火星探査機「インサイト(注5)」によって、火星コアの地震波速度が測定され、それが本研究で得られた音速と一致すれば、その仮説を実証できます。
  • 一方、一致しない場合は、火星の起源を考え直す必要があります。地球のように、原始火星にも微惑星の衝突があったとすれば、コアには別の不純物が含まれている可能性もあります。火星の衛星フォボス・ダイモスの巨体衝突起源説の検証を目的の1つとしている、JAXAの火星衛星探査計画MMXとも関連があります。

概要

西田圭佑(研究当時:東京大学大学院理学系研究科地球惑星科学専攻助教、現:バイロイト大バイエルン地球科学研究所研究員)を中心とした、東京大学・東北大学・大阪大学・東京工業大学・KEK・SPring-8/JASRIの共同研究チームは、大型放射光施設SPring-8および放射光実験施設フォトンファクトリー(PF)を利用して、火星コアの主要構成物と考えられている液体鉄−硫黄合金の音速を、火星コアの環境に相当する20万気圧2000度という高圧高温の極限条件下で精密に測定することに成功しました。

従来、地球物理学的観測や火星隕石の研究から、火星には液体鉄−硫黄合金でできたコアの存在が示唆されてきました。しかし、これまで内部探査が行われてこなかったため、火星内部の構造や化学組成に関しては未だよくわかっていません。現在、NASAによる火星内部探査機インサイトが設置した地震計による内部構造探査が進行中で、すでに火震(火星の地震)を観測しています。火星コアを通る地震波を観測することができれば、その地震波速度を知ることができます。

そのような観測に先んじて、本研究グループは、火星コア物質とされている液体鉄−硫黄合金の音速(地震波速度)を実験室で測定することに成功しました。川井型マルチアンビルを使った高圧実験は、日本が世界をリードする研究手法で、これまでも地球や惑星深部の多くの謎を解明してきました。これに超音波パルス法(注6)と、SPring-8やPFの強力な放射光X線を組み合わせることで、高圧高温下における音速の精密測定が可能になります。しかし、10万気圧を超える高圧下では安定した高温発生が難しくなること、加圧に伴い試料体積が減少し試料からの超音波エコーが弱くなることなど技術的な課題が山積しており、この手法による液体鉄合金の音速測定は従来8万気圧以下に限られていました。

本研究グループは、高圧実験技術と超音波測定技術の高度化を進めた結果、これまで不可能だった火星コア最上部に相当する20万気圧という極限環境下においても、高精度で液体鉄合金の音速を測定することに成功しました。その結果、火星コア条件(約20~40万気圧)の大部分で、硫黄含有量によって液体鉄−硫黄合金の音速がほとんど変わらないことが明らかになりました。これは、従来の考え通り、火星コアが液体鉄−硫黄合金の場合、その地震波速度は硫黄量に関わらず今回の測定値と一致する必要があります。

一方、火星探査で得られる火星コアの地震波速度が本測定結果と異なる場合、シリコンや酸素など別の不純物の存在を意味します。シリコンと酸素は火星のマントルの主要元素であり、火星が微惑星の衝突によって大規模に融解した場合、両元素はコアにも取り込まれます。近未来の火星コア探査と実験室での液体鉄−シリコン・酸素合金の音速測定の組み合わせにより、火星コア中のシリコン・酸素の存在、さらには火星がかつて巨大衝突を経験したかどうかを検証することが出来ます。

現在JAXAは、火星衛星探査計画MMX(2020年代前半打ち上げ予定)を進めており、その目的の1つが、火星の2つの衛星フォボスとダイモスの起源の解明です。その有力な仮説が巨大衝突起源説です(月の成因と同じ)。このように本研究そして今後の研究の成果は、火星やその衛星の起源とも深く関わっている他、MMXミッションとも密接な関連があります。

火星コア物質の音速測定に成功 〜火星コアの組成と火星の起源解明に向けて〜
図1:13万気圧における、鉄−10wt%硫黄合金(Fe80S20)の超音波信号とX線画像

用語解説

注1 川井型マルチアンビル
8個の立方体アンビルを大型のプレスで加圧し、中心に置かれた試料に力を集中することにより高い圧力を発生させる装置。通常、アンビル材として超硬合金が用いられ、約30万気圧までの実験が可能です。

注2 大型放射光施設SPring-8
兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高性能の放射光を生み出す、理化学研究所が所有する放射光施設で、その利用者支援等は高輝度光科学研究センター(JASRI)が行っています。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8GeVに由来。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する、細く強力な電磁波のことです。SPring-8では、この放射光を用いて、ナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究を行っています。

注3 放射光実験施設フォトンファクトリー(PF)
大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構(KEK)のつくばキャンパスにある放射光施設です。電子加速器から生まれる放射光で、物質・生命の構造から機能発現のしくみを明らかにする研究を推進しています。PFリング(2.5 GeV)、PFアドバンストリング(PF-AR, 6.5 GeV)という、特徴ある2つの放射光専用の光源加速器を有し、KEKで培ってきた放射光技術・加速器技術により世界最先端の研究の場を提供しています。

注4 火星コア
火星は半径約3400 kmの天体です。火星コアは、中心から半径約1800 kmの領域で、主に鉄でできていると考えられています。不純物として硫黄を多く含むと考えられていますが、詳細な化学組成は不明です。地球のようなグローバルな火星磁場はないため、かつては液体のコアは存在しないという説が有力でしたが、近年の観測からは液体であることが示唆されています。

注5 インサイト(InSight : Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport)
インサイトはアメリカ航空宇宙局(NASA)が開発した火星深部探査を目的とした探査機で、地震計、熱流量計を搭載しています。2018年11月26日に火星に着陸し、現在も観測が進行中です。すでに150回以上の火星の地震観測に成功しています。

注6 超音波パルス法
超音波パルスを試料に照射し、試料中の超音波の伝播時間と、試料の長さから速度を求めることができます。川井型マルチアンビルと組み合わせる場合、試料の長さを強力な放射光X線を使ったX線画像(レントゲン写真)から求める必要があります。

詳細については、以下をご参照ください。