今から46億年前に、誕生したばかりの太陽の周囲において無数の小天体が互いに衝突と合体を繰り返し、少しずつ成長した結果として、地球型の惑星や小惑星が形成されました（図１）。このとき小天体の表層や内部では、衝突が引き起こす衝撃圧縮によって構成物質の状態の変化が起きたと考えられてきました。このような小天体の物質の変化の痕跡は、それが集まってできた地球の岩石にはもはや残されていません。それは地球ができる過程で非常に高い温度を経験し（図１）、痕跡がリセットされたことが理由です。しかし地球を離れてみると状況は異なります。たとえば多くの小惑星には、昔の衝突でできたクレーターの地形が未だに残存しており、そのあたりの物質には衝撃圧縮の痕跡が残っているであろうと考えられてきました。

小惑星から飛来したと考えられる隕石の一部には、そこに含まれる結晶が、高い密度へと永久的に変化しているものがあります。たとえばカンラン石[α-(Mg,Fe)2SiO4]という名前の結晶の一部は、リングウッダイト[γ-(Mg,Fe)2SiO4]という名前の、同じ化学成分ですが原子配列の異なる高い密度の結晶に変わっています。そのリングウッダイトの一部が、ポワリエライト[ε-(Mg,Fe)2SiO4]というさらに別の原子配列に変わっている場合もあります。これらの原子配列は勝手に出来上がることはなく、その起源は不明でした。一方でこれらを含む隕石はいずれも大きく変形をしており、衝撃圧縮とは深い関わりがあるのではないかと推察されていました。もし地上での衝撃圧縮の実験によって、これらの高密度の原子配列をつくることができれば、その生成の状況を詳しく調べることで、初期太陽系における衝突の圧力（衝突速度に依存）や衝突の継続時間（天体の大きさに依存）に関する情報を得ることが可能になります。望遠鏡や惑星探査機の活躍によって読み解かれてきた初期太陽系の姿に対して、新しい方法で迫ることができるわけです。

図1. 誕生したばかりの太陽系での地球の成長の様子

京都大学複合原子力科学研究所を中心とする研究グループは、このような着想のもとで、カンラン石の原子の配列が衝撃圧縮のときにどのように変化するのかをX線自由電子レーザー施設SACLAを用いて計測しました。まず、フォーカスした強いレーザーパルスを地球で合成したカンラン石の単結晶の試料に打ち込むことによって衝撃圧縮の状態を作り出し、60～100 万気圧の強い圧力を結晶内に発生させました。そこにさらにフォーカスしたフェムト秒X線パルスを重ねて照射してX線回折の計測を行うことで、変化中の原子の配列を捉えました。たくさんの同じ結晶を用意して、それぞれを個別にレーザーで圧縮しながらＸ線を照射する時間を少しずつずらしていくことで、変化の様子をコマ送りの動画として記録します。フェムト秒X線パルスは原子の配列が変わる速さよりも充分に短いために、各コマがにじむことはなく、配列の変化を正確に追うことができます。その結果、カンラン石からリングウッダイトへの原子の再配列と高密度化を捉え、それが衝撃圧縮の開始から1億分の1秒というごく短い時間で進むことを、世界で初めて確認しました。

図2.地上の天体衝突実験で捉えた原子配列の変化

地球や惑星をつくる結晶のほとんどは金属の酸化物の一種であり、酸素イオンと金属イオンの間に強く切れにくい化学結合が存在しています。結晶全体にわたる結合の切断と再形成が必要な酸化物の原子再配列の現象が、今回のようにごく短い時間で起こる場合があることは、従来の見解を覆す発見でした。その一方で、短い時間の衝撃圧縮は、メートルサイズの小惑星などの小さな天体の衝突によって起こる現象です。その頻度は高く、短い衝撃圧縮で生成した高密度の結晶の記録が多数の隕石や小惑星サンプルリターン試料に残されている可能性は高いといえます。それらを今後丁寧に探してゆけば、地球の誕生に至る太陽系の先史の様子を具体的に描くことが可能になるでしょう。

さきに述べたポワリエライトのように、隕石からは多種多様な高密度の結晶が近年次々に発見されています。それぞれの生成の条件は今回のリングウッダイトとは異なるはずであり、その条件の多様さをコマ送り動画の実験法で個別に確認することで、天体衝突の状況をさらに詳しく決定することが可能になるでしょう。実は今回の実験法は、あらゆる固体物質の原子再配列の研究への応用が可能なものです。本研究グループは、惑星を構成する結晶の世界を離れた、各種の物質や材料に対しても同様の研究も進めています。今回の成功により、たとえばセラミックスのような有用な材料においても、コマ送り動画を記録する実験法が特徴のある状態を作り出して捉えるために有効なことを確認しています。