大阪大学放射線科学基盤機構附属ラジオアイソトープ総合センターの二宮和彦准教授、邱奕寰特任研究員（常勤）、大学院理学研究科の寺田健太郎教授は、小惑星リュウグウの石の初期分析において、ミュオン分析チームと協力して素粒子ミュオン（ミューオン、ミュー粒子ともいう）を用いた元素分析をJ-PARCで行い、その元素組成を非破壊で決定することに成功しました。ミュオン元素分析法は、同研究グループが世界に先駆けて開発してきた新しい分析手法です。試料内部に存在する生命の原料物質である炭素や窒素などの軽い元素を非破壊で定量する唯一と言っていい方法です。

分析の結果、リュウグウの石は太陽系の元素組成と最も近いと言われている隕石、CIコンドライトと近い組成であったものの、酸素の含有量が明確に少ないことが分かりました。この研究成果により、太陽系固体物質の元素組成の基準が新しく書き換わる可能性があります。

本研究成果を含む「はやぶさ2」初期分析「石の物質分析チーム」（代表　中村智樹　東北大教授）による研究成果は、9月22日（木）（アメリカ東部時間）（日本時間9月23日（金）午前3時）にアメリカ科学振興協会（AAAS）サイエンス（Science）誌に掲載されました。

また、本件については9月23日（金）に宇宙航空研究開発機構（JAXA）においてプレス発表が行われました。

宇宙航空研究開発機構（JAXA）プレスリリースURL：https://www.jaxa.jp/press/2022/09/20220923-1_j.html

図1. ミュオン元素分析によるリュウグウの石の分析の概要。本研究では、リュウグウの石を地球の大気に触れさせることなく、非破壊で内部に含まれる元素を分析しました（リュウグウの石の画像提供：宇宙航空研究開発機構（JAXA））。

2014年に打ち上げられた小惑星探査機「はやぶさ２」は、炭素が多いC型小惑星のひとつ、リュウグウに向けて出発しました。2018年にはリュウグウの近傍に到達し、様々なリモート観測を行ったのち、リュウグウ上の２か所から試料（リュウグウの石）の採取を行いました。そして2020年12月、カプセルに封入された状態で想定を大きく上回る5.4 gものリュウグウの石が地球で回収されました。一方、本学の研究グループは、はやぶさ２の打ち上げ以前の2012年頃から、小惑星リュウグウの軽元素の非破壊分析を目指し、ミュオンを用いた非破壊分析に取り組んできました。

このような背景のもと2021年から、国内外の研究者が参加する初期分析のプロジェクトが始まりました。リュウグウの石からもたらされると期待される情報は多岐にわたり、初期分析チームでは石の形状や元素分布、鉱物組成の分析など様々な研究が行われました。本学の研究グループは、リュウグウの石がどのような元素をどれだけ含んでいるのか、特にリュウグウの軽元素組成に興味を持って初期分析チームに参加しました。

太陽系誕生初期に形成され、それ以後宇宙空間を漂い続けていた小惑星は太陽系初期を知るタイムカプセルです。実際、小惑星から飛来し地球上で得られる隕石を分析することで、太陽系の平均的な元素組成を調べる研究がこれまで行われてきました。しかし隕石は、大気圏に突入した瞬間から地球大気に触れているので、酸化や物質の吸着といったことが起こりえます。そういう意味で、隕石の分析では我々は小惑星、すなわち初期の太陽系の本当の化学組成を知らない可能性があります。一度も地球大気に晒されていないリュウグウの石は、この目的に最適な試料です。

しかし一般に太陽系の始原物質はサブミリメートルからマイクロメートルの大きさの空間スケールで不均質です。つまり不均一性の問題を解決し平均的な化学組成を決定するためには、不均質さの空間スケールを超える大きさ(すなわち十分な体積)で分析する必要があり、これによりはじめて小惑星全体、さらには太陽系全体の元素組成を明らかにできます。しかし試料を損なわずに非破壊で、十分な量の組成分析を行うことはこれまで困難でした。

研究グループは、J-PARCにおいてミュオンを用いた元素分析法をリュウグウの石に適用しました。この方法は、加速器で量子ビームとして得られるミュオンを試料に打ち込み、出てくるミュオン特性X線を分析します。ミュオン特性X線は透過力が高いために、試料の内部の元素を非破壊で特定でき、貴重なリュウグウの石の分析において極めて有効な手段です。研究グループは、これまでミュオン元素分析法の開発において先端的な研究成果をあげてきており、小さなリュウグウの石に適用可能な実験システムを開発するなど、リュウグウの石への適用を見越した基礎研究を進めてきました（図２）。

2021年6月に初期分析研究の一環として、合計0.1グラムを超える10個のリュウグウの石をJ-PARCに持ち込み、ミュオンによる元素分析が行われました。ミュオン特性X線を半導体検出器で検出し、図３に示すスペクトルが取得されました。特に生命の材料物質である炭素、窒素、酸素について、リュウグウの石を損ねることなく検出することができたのは画期的な成果です。この分析に利用されたリュウグウの石の重量はわずか0.1 g程度です。しかし他の初期分析チームでは、これよりも少ない量のリュウグウの石しか利用できていません。このような多くのリュウグウの石を分析できたのは、ミュオン元素分析法が非破壊の方法で、その後の分析に悪影響を及ぼさないからです。そして多くのリュウグウの石を使うことができたため、ミュオンによる分析の結果は小惑星リュウグウの平均的な元素組成に最も近い値であると考えられます。

ミュオン非破壊分析によるリュウグウの石の元素組成は、太陽系の固体物質の化学組成の基準となっているCIコンドライトという種類の隕石とおおむね似た組成をしていることが分かりました。これは、リュウグウの石が太陽系において極めて始源的な物質であることを明確に示しています。さらに重要な結果として、酸素のケイ素に対する存在量は、CIコンドライト隕石と比べ約25%少ないことが明らかになりました（図４）。これはこれまで太陽系の化学組成の基準とされていたCIコンドライトが、地球物質の汚染を受けていた可能性を示唆しており、今後太陽系固体物質の元素組成の基準がこの分析結果に書き換わる可能性があります。

図2. ミュオン分析チームと今回の研究で開発したリュウグウの石の分析のための測定システム

図3. リュウグウの石と標準試料として測定したCIコンドライト（Orgueil）から得られたミュオン特性Ｘ線のスペクトル。リュウグウの石から得られたミュオン特性X線は、はCIコンドライトと極めて近く、これらが互いに近い元素組成を持っていることを示している。

図4. リュウグウの石とCIコンドライトの元素組成の比較。比較においてはケイ素のX線強度で規格化した。同じ実験装置で測定したCIコンドライトであるOrgueilとCIコンドライトの元素組成の文献値（K. Lodders, The Astrophysical Journal, 591, 1220-1247, 2003）と比較したところ、予想していなかったことに、リュウグウの石は酸素のX線強度が低く、酸素の含有率はCIコンドライトより約25%低いことが明らかになった。

この研究は、リュウグウの石の初期分析の一環として行われました。研究グループはミュオン元素分析により、貴重な小惑星リュウグウの石を損ねることなく、生命の材料物質である炭素や窒素などの元素分析に成功しました。非破壊で試料内部の平均的な組成の分析ができるのは、ミュオン元素分析法だけであり、研究グループが開発してきたこの方法が、今後計画されている小惑星ベンヌからのサンプルリターンや、火星の衛星フォボスから採取する試料など、希少な地球外物質の分析手法の一つとして確立していくことが期待されます。

ミュオンによる分析研究の成果としても２つの重要な知見が得られました。リュウグウの石は太陽系で最も始源的と考えられてきたCIコンドライトに似ているということと、一方で酸素は明確に少ないという全く予想できていなかった結果の２つです。特に後者は、太陽系の固体物質の主成分元素組成の再考を迫る極めて大きな発見です。今回の結果はなぜ太陽系の地球という星で生命が誕生したのか、その理由に迫る重要なヒントを与えることになるでしょう。

ミュオン元素分析研究を含む、初期分析全体の成果は、202２年９月２３日（金）３時（日本時間）にアメリカ科学振興協会（AAAS）の「サイエンス（Science）」（オンライン）に掲載されました。

タイトル：“Formation and evolution of carbonaceous asteroid Ryugu: Direct evidence from returned samples ”
著者名：T. Nakamura, M. Matsumoto, K. Amano, Y. Enokido, M. E. Zolensky, T. Mikouchi, H. Genda, S. Tanaka, M. Y. Zolotov, K. Kurosawa, S. Wakita, R. Hyodo, H. Nagano, D. Nakashima, Y. Takahashi, Y. Fujioka, M. Kikuiri, E. Kagawa, M. Matsuoka, A. J. Brearley, A. Tsuchiyama, M. Uesugi, J. Matsuno, Y. Kimura, M. Sato, R. E. Milliken, E. Tatsumi, S. Sugita, T. Hiroi, K. Kitazato, D. Brownlee, D. J. Joswiak, M. Takahashi, K. Ninomiya, T. Takahashi, T. Osawa, K. Terada, F. E. Brenker, B. J. Tkalcec, L. Vincze, R. Brunetto, A. Aléon-Toppani, Q. H. S. Chan, M. Roskosz, J.-C. Viennet, P. Beck, E. E. Alp, T. Michikami, Y. Nagaashi, T. Tsuji, Y. Ino, J. Martinez, J. Han, A. Dolocan, R. J. Bodnar, M. Tanaka, H. Yoshida, K. Sugiyama, A. J. King, K. Fukushi, H. Suga, S. Yamashita, T. Kawai, K. Inoue, A. Nakato, T. Noguchi, F. Vilas, A. R. Hendrix, C. Jaramillo-Correa, D. L. Domingue, G. Dominguez, Z. Gainsforth, C. Engrand, J. Duprat, S. S. Russell, E. Bonato, C. Ma, T. Kawamoto, T. Wada, S. Watanabe, R. Endo, S. Enju, L. Riu, S. Rubino, P. Tack, S. Takeshita, Y. Takeichi, A. Takeuchi, A. Takigawa, D. Takir, T. Tanigaki, A. Taniguchi, K. Tsukamoto, T. Yagi, S. Yamada, K. Yamamoto, Y. Yamashita, M. Yasutake, K. Uesugi, I. Umegaki, I. Chiu, T. Ishizaki, S. Okumura, E. Palomba, C. Pilorget, S. M. Potin, A. Alasli, S. Anada, Y. Araki, N. Sakatani, C. Schultz, O. Sekizawa, S. D. Sitzman, K. Sugiura, M. Sun, E. Dartois, E. De Pauw, Z. Dionnet, Z. Djouadi, G. Falkenberg, R. Fujita, T. Fukuma, I. R. Gearba, K. Hagiya, M. Y. Hu, T. Kato, T. Kawamura, M. Kimura, M. K. Kubo, F. Langenhorst, C. Lantz, B. Lavina, M. Lindner, J. Zhao, B. Vekemans, D. Baklouti, B. Bazi, F. Borondics, S. Nagasawa, G. Nishiyama, K. Nitta, J. Mathurin, T. Matsumoto, I. Mitsukawa, H. Miura, A. Miyake, Y. Miyake, H. Yurimoto, R. Okazaki, H. Yabuta, H. Naraoka, K. Sakamoto, S. Tachibana, H. C. Connolly Jr., D. S. Lauretta, M. Yoshitake, M. Yoshikawa, K. Yoshikawa, K. Yoshihara, Y. Yokota, K. Yogata, H. Yano, Y. Yamamoto, D. Yamamoto, M. Yamada, T. Yamada, T. Yada, K. Wada, T. Usui, R. Tsukizaki, F. Terui, H. Takeuchi, Y. Takei, A. Iwamae, H. Soejima, K. Shirai, Y. Shimaki, H. Senshu, H. Sawada, T. Saiki, M. Ozaki, G. Ono T. Okada, N. Ogawa, K. Ogawa, R. Noguchi, H. Noda, M. Nishimura, N. Namiki, S. Nakazawa, T. Morota, A. Miyazaki, A. Miura, Y. Mimasu, K. Matsumoto, K. Kumagai, T. Kouyama, S. Kikuchi, K. Kawahara, S. Kameda, T. Iwata, Y. Ishihara, M. Ishiguro, H. Ikeda, S. Hosoda, R. Honda, C. Honda, Y. Hitomi, N. Hirata, N. Hirata, T. Hayashi, M. Hayakawa, K. Hatakeda, S. Furuya, R. Fukai, A. Fujii, Y. Cho, M. Arakawa, M. Abe, S. Watanabe, Y. Tsuda
ＤＯＩ： https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn8671

なお、本研究は文部科学省 科学研究費助成事業 新学術領域研究 (2018–2022)「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋。」の一環として実施されました（課題番号18H05457, 18H05460, 18H05463, 18H05464）。また、実験はKEK物構研ミュオン共同利用課題2019MS01として実施されました。

二宮和彦准教授　研究者総覧
https://rd.iai.osaka-u.ac.jp/ja/3701ebce92e1397c.html

寺田健太郎教授　研究者総覧
https://rd.iai.osaka-u.ac.jp/ja/de0135e16e1c4f30.html

JAXAプレスリリース
https://www.jaxa.jp/press/2022/09/20220923-1_j.html

KEKプレスリリース
https://www.kek.jp/ja/press/202209231030muon/