小惑星リュウグウからのサンプルリターン：2023年度までのまとめ
今年3月20日、地球外物質研究グループのキュレーションチームのメンバーは、地球由来の汚染を防ぐために身に着けていた防護服を脱ぎ、宇宙科学探査交流棟でミッションと初期分析チームのリーダーらと合流しました。「はやぶさ２」探査機が小惑星リュウグウのかけらを地球に届けてから２年余りが経過したこの日、全員が揃ってこれまでの成果をまとめて発表しました。
「はやぶさ２」
「はやぶさ２」は、2014年12月に種子島宇宙センターから打ち上げられました。探査機の目的地は、C型（炭素質）小惑星「リュウグウ」。この種の小さな宇宙の岩とも言える小天体は始原的、つまり太陽系の始まりの頃に形成されてからほとんど変化していないと考えられていました。この通りであれば、リュウグウのかけらを手に入れることで太陽系や私たちの住む地球を作るのに必要であった鉱物や分子の種類の情報を垣間見ることができるはずです。
リュウグウを１年半にわたって探査したのち、「はやぶさ２」は地球の近くに戻りました。探査機はサンプルの入ったカプセルを地球に向けてリリースすると、自身は深宇宙へと舵を切り地球から離れて行きました。ミッションはスムーズに進んだので地球に戻った時点で燃料には余裕がありました。「はやぶさ２」はそれを活用した更なるミッションへ、すなわち2026年に小惑星2001 CC21をフライバイし、2031年には小惑星1998 KY26とランデブーを行うことになっています。
サンプルの入ったカプセルは2020年12月6日、オーストラリアの砂漠に着陸しました。カプセルが着陸してから回収されて日本の宇宙科学研究所のキュレーション設備へ搬入されるまで、想定の中で最速の57時間で完了しました。カプセルの中にはリュウグウの異なる二つの場所から採取した物質が5.4g入っていました。二つの場所とは、小惑星の表面にあった物質を採取した第一地点と、ミッションが行った衝突実験により掘り出された地下物質が積もっていたであろう第二地点の二か所です。またサンプル容器にはガスも封じ込められており、丁寧に取り出して分析が行われました。
→ CGI 映像: はやぶさ2 – 2195日の軌跡 –
工学分野での世界初
小惑星への離着陸を含む「はやぶさ２」の惑星間航行による往復は、「はやぶさ」初号機に次いで人類史上２例目です。「はやぶさ２」ミッションは工学分野において、９つの世界初を達成しました：
- 小型探査ロボットによる小天体表面の移動探査：2019年9月に展開された自律型ローバMINERVA-II ローバ1A, 1Bを用いて小惑星リュウグウの探査が行われました。車輪での移動にはリュウグウの重力が弱すぎるため、内部のモーターを回転させることで機体をホップさせてリュウグウ上での移動を可能にしました。
- 複数の探査ロボットの小天体上への展開：ほぼ同設計のMINERVA-IIローバ1A、1Bのペアは、太陽電池が充電されるたびにホッピングしながら移動しました。
- 小惑星での人工クレータ形成実験をその前後の詳細比較を伴い実施：小型搭載型衝突装置（SCI）は2kgの銅弾丸で、小惑星の表面に向けて発射されると人工クレータを形成しました。この衝撃で地下物質が掘り出されて周囲に散らばりました。
- 天体着陸精度60cmの実現：小惑星リュウグウの表面は極めて危険な環境で、サンプル採取のためタッチダウンを行う際に探査機にダメージを与えてしまう可能性がある大きな岩石がごろごろしていました。さらに２回目のサンプル採取では、クレーター形成実験で放出された地下物質を採取するために人工クレータの近くの数か所の着陸候補地点のどれかに下りる必要がありました。可能な限り正確に着陸させるために新たなピンポイント着陸技術を採用し、この記録を達成しました。
- 同一天体２地点への着陸：「はやぶさ２」は地球に持ち帰る物質収集のため、２つの異なる地点に着陸しました。
- 地球以外の天体で地下物質にアクセス：2回目に採取したサンプルは、人工クレータの形成過程で放出されたばかりの地下物質が含まれていたことから極めて貴重なものでした。表面物質は太陽風の照射や微小隕石（マイクロメテオロイド）の衝突などによって宇宙風化の影響があり得る一方で、地下物質はより新鮮なままであると考えられ、これらの比較ができることの価値は高いからです。
- 最小・複数の小天体周回人工衛星の実現：「はやぶさ２」はリュウグウを離れる間際、MINERVA-II ローバ2とターゲットマーカーを投下しました。このローバは通信に問題が生じており、リュウグウ上で探査機としては使用することができませんでした。ターゲットマーカーは、「はやぶさ２」が搭載した5個のうちの1個で、3個はサンプル採取の際に探査機を地表まで誘導するため既に使われていました。ローバとターゲットマーカーはいったんリュウグウを回る軌道に投入され、リュウグウを周回しながら徐々に高度を落とし、やがてリュウグウの地表に到達しました。これを「はやぶさ２」が観測することにより、リュウグウの重力場をさらに詳細に推定することができました。
- 地球圏外からの気体状態の物質のサンプルリターン：サンプルコンテナにはサンプル採取時に取り込まれたとみられるガスが封入されていました。この地球外からの気体は、サンプルコンテナの中でリュウグウ粒子の表面が剥離した際、リュウグウ粒子に閉じ込められた太陽風の粒子が遊離したものであることが判明しました。
- C型小惑星の物質のサンプルリターン：「はやぶさ」初号機はS型（石質）小惑星を訪れ、「はやぶさ２」ではC型小惑星からの物質を地球に持ち帰りました。S型はその形成以来、高温状態を経験していると考えられ組成が変化していると想定されることから、太陽系初期の状況を知ることは困難と考えられています。一方、C型小惑星はより始原的なままであると考えられています。
「はやぶさ２」は、「はやぶさ」初号機のために開発した技術を改良して適用したミッションでもあります。「はやぶさ」では、打ち上げ直後に見舞われた太陽フレアにに伴うものを始めとして、複数の不具合が発生しました。「はやぶさ」が2010年に地球に帰還する頃にはひとつとして完全に機能するイオンエンジンはなく、また、サンプル採取のための自律運転によるタッチダウンでも複数の問題が発生しました。
比較して「はやぶさ２」ではイオンエンジンの効率を向上し、探査機が地球に到着した時点ですべてが正常な状態でした。2種類のサンプル採取のためのタッチダウンでも初号機にはなかったピンポイントタッチダウンという技術も含め完全な成功を収めました。「はやぶさ」初号機が残した”宿題”は、これで完了したと言ってよいでしょう。
小型モニタカメラ（CAM-H）によるサンプル採取のための最初のタッチダウン時の連続画像。小型モニタカメラ（CAM-H）によるサンプル採取のための最初のタッチダウン時の連続画像。最後の画像の高度は約117メートル。
科学成果
サンプルの入ったカプセルはキュレーション設備内に持ち込まれると開封され、リュウグウサンプルは真空状態と不活性窒素の環境下の両方で分析されました。この分析は「初期記載」と呼ばれ、約半年かけてサンプルの粒子の重さや大きさ、形状などといった特性が記載され、カタログ化されました。
そのカタログは一般公開されており、定期的に更新される最新結果を見ることができます。これを世界中の研究コミュニティが、リュウグウ試料の分析研究公募をする際に参照しています。
→ 動画： 宇宙からのサンプルはどうやって分析するの？
キュレーション設備の中でもっとも威力を発揮したのは、サンプル粒子を可視光ではなく近赤外域の光で観察する分光顕微鏡です。リュウグウ粒子を肉眼で見る（可視光で観察する）と真っ黒に見えるだけですが、近赤外域で観察すると有機物や水（水酸基）を含む鉱物を確認することができます。さらに赤外線はX線や電子線よりもはるかに穏やかなため、もろい粒子を傷つけることなく観察することもできます。
地球外から持ち込まれた試料のキュレーションに赤外線分光顕微鏡が用いられたのは世界で初めてです。この顕微鏡はマイクロオメガと呼ばれ、フランスの宇宙機関CNESが開発したものです。マイクロオメガは、フランスとドイツの宇宙機関が開発して「はやぶさ2」探査機本体から小惑星表面へと展開した小型着陸機「MASCOT」に搭載されていた観測用機器のフライトスペアでした。
ISASでの「フェーズ１キュレーション」ののち、粒子はJAMSTEC高知コア研究所と岡山大学惑星物質研究所の2か所の「フェーズ２キュレーション」専門機関へと送られました。ここでは、大型放射光施設SPring-8をはじめとする施設の利用や電子顕微鏡、X線回折CTによる分析といった複数機器による追加分析を系統的に実施することで、初期記載を補足しカタログをより充実させる役割を果たしました。
初期記載に続いて、400名ほどの地球外物質研究者からなる６つの国際サブチームがサンプル総量の約6%にあたるおおよそ0.3gのサンプルの初期分析（典型的な分析を実施し、その結果を公表することでサンプルの価値が高いことを世界の学界にJAXAが保証する活動である、とも言えます）を行いました。各チームはサンプルの特性のそれぞれ異なる側面に焦点を当てました：
- 化学分析チーム
- 石の物質分析チーム
- 砂の物質分析チーム
- 揮発性成分分析チーム
- 固体有機物分析チーム
- 可溶性有機物分析チーム
→ 動画： 「はやぶさ２」が届けた小惑星リュウグウサンプル： 2年間のまとめ
岩石が宇宙線にさらされたときに生成される放射性核種（放射性同位体とも呼ばれる）を分析1,2 したところ、２回目のタッチダウンでは人工クレータの近辺から地下物質が確実に採取されたことが確認されました。２回目のタッチダウンで採取した粒子は宇宙線への暴露量が少ないことから、これらが1～2メートル程度の深さにあって放射線から保護されてきて、そこから人工クレーター形成実験で掘り起こされた上で表面にあったところを採取されたことが示唆されました。このことはさらに、リュウグウが現在の近地球軌道上に移動してからの過去数百万年の間、表面と地下の間での粒子の撹拌が限定的であったことも意味しています。
これは「はやぶさ２」のミッションチームにとって朗報でした。2回目のタッチダウンはリスクを伴う試みでもあったからです。もし2回目に失敗すれば、探査機本体も1回目のタッチダウンで採取したサンプルも失うことになりかねませんでした。また、２回目のサンプル採取の場所の選択についても正しかったことが確認されました。タッチダウンの場所については平坦で安全な場所か、地下物質が多くある場所かの議論がなされていました。結局後者が選ばれ、タッチダウンは成功し、地下物質を採取して「はやぶさ２」は大いなる工学的挑戦を完璧な形で完了したのです。
リュウグウサンプルは間違いなく始原的なものであった4、という結果も初期分析による大きな成果でした。C型小惑星を訪れることで、太陽系の惑星が作られた頃に形成された材料がそのままの状態でサンプルとして取得されることが期待されていました。実際、小惑星リュウグウの元素と同位体組成は、太陽に近い組成を持つとても珍しい型の隕石である炭素質コンドライト（CIコンドライト）に類似していることが判明しました。このことは、リュウグウの組成が太陽系の惑星が誕生した当初に存在していたものと全く同じであることを示唆しており、まさに惑星レシピの材料表のようなものだったのです。
さらに、地球に落ちてくる隕石とは異なり、リュウグウサンプルは地球上の環境による風化や汚染を受けていません。隕石は、地上に落下後たった数時間で性質の変異が始まり、元の組成を読み取るのに大きな不確定性をもたらすことが分かっています。今後リュウグウサンプルは太陽系最初期の元素組成の新しいスタンダードとなり、恒星や惑星の進化の研究におけるほぼすべての分野で参照されることになるでしょう。
「地球帰還時の衝撃に耐えるメタルシールを開発するために、筋肉痛になりながらサンプルコンテナにハンマーで衝撃を加えること1000回以上。10年前の苦労を思いだしながら、改めて「はやぶさ２」のサンプルリターンを成功させられて良かったと思いました。サンプルが密閉できていて本当に良かった。」
―澤田 弘崇（「はやぶさ２」システムエンジニア）
始原的な元素から形成された鉱物を調べると、生命居住可能な惑星を形成するのに必要な成分が明らかになってきました。リュウグウサンプルに含まれる鉱物の多くは水の存在下で形成され（含水鉱物：粘土の仲間）、さらに数十億年前に実際に存在した液体の水が硫化鉄の結晶中にわずかに閉じ込められていることが確認されました。
リュウグウは、マイクロサイズの水を結晶の中に保持することは出来ても、そのサイズが小さいことから、含水鉱物を形成するのに必要な液体の水を作り出すことは出来ません。このことから小惑星リュウグウはもっと大きな天体であったものの破片である、ということが分かります。発見された水サンプルには二酸化炭素が含まれていましたが、二酸化炭素が取り込まれるのには固体（氷、つまりドライアイス）で存在する条件が必要であることから、リュウグウ親天体は太陽系外縁部のきわめて低温の領域で形成されたことが示唆されました。
(Nakamura et al. 2022を改変 / Credit: 東北大学、NASA/JSC、 SPring-8)
放射性同位元素の相対量から、リュウグウ内の含水鉱物は太陽系が始まってから約500万年後（今から約45億6000万年前）に形成されたことが分かりました。酸素原子の同位体交換反応は温度に支配されることから、酸素同位体を比較することで、この現象が起こった際の温度を推定することができます。この「酸素温度計」による結果は、約40 ℃を示しました。
また、リュウグウのサンプルからは有機物が検出され、その中には生命の重要な構成要素の一つであるアミノ酸も含まれていました6,7。地球上の生命に使われるアミノ酸とは異なり、リュウグウサンプルで検出された分子は、右手・左手の構造を持つ光学対掌体アミノ酸（アミノ酸は原子が立体的に組み合わさった分子で、右手と左手の関係のように鏡像関係にあるものが存在する）がほぼ均等に存在していることが分かりました。また、重水素や重い窒素の同位体15Nが豊富に含まれる粒子も発見されました。このことから、太陽系が誕生する前に極低温の領域で形成された有機物が、のちにリュウグウの親天体に取り込まれた可能性が高いと考えられています。
「はやぶさ２」による小惑星の観測ではリュウグウは脱水した岩石からなると考えられていたため、リュウグウサンプルに含水物や有機物が豊富に含まれていたことはやや予想外、嬉しいサプライズと言ってもよいものでした。サンプルの分析により、リュウグウのほんとうの表層にあった粒子は脱水していることが分かりました8。太陽風の照射や微小隕石の衝突によって「宇宙風化」が起き、表面だけが薄く脱水されていたのです。この発見は、地球からの観測では表面だけしか見えないので、水和鉱物が少なく脱水したように見えている他の小惑星において表面薄くはそうであっても、その下ではそうでもないのかもしれない可能性を示唆しています。
これらの研究成果は、太陽系の初期から現在に至るまでの記録としてリュウグウの歴史を描き出すものです。リュウグウの親天体は太陽からはるか遠く、おそらく彗星が誕生するような場所の近くで、太陽系の始まりのころに形成されたと考えられています。この親天体は太陽の周りで最初にできた天体のひとつで、惑星の構成要素になる微惑星と呼ばれるものです。微惑星は太陽の周りをまわっていた円盤の物質や太陽系誕生以前から宇宙に漂っていた粒子から形成されたものです。
その後、この微惑星は太陽系内を移動し、小惑星帯の主要な小惑星の一つとなりました。衝突によって小惑星は破片となり、破片の一部は小さな小惑星として地球の接近する軌道を持つようになりました。2015年、その小惑星が、「はやぶさ２」ミッションが企画した一般公募キャンペーンによって「リュウグウ」と名付けられることになりました。
このような歴史から、小惑星帯にはリュウグウのような始原的な組成を保つ天体がほかにも存在する可能性があります（一方で、リュウグウに類似したタイプは隕石コレクションにおいてはレアであることに注意）。また太陽系内のはるか遠くから地球型惑星領域までの物質輸送の可能性についても示しています。地球が生命惑星になるために必須であった有機物や水も、この経路で地球に運ばれてきたと考えることもできるのです。
今後の展開
リュウグウ以外の天体からのサンプルに膨大な情報が含まれているであろうことは、「はやぶさ２」が地球に届けたサンプルからの成果の大きさが物語っています。JAXAはこれまでのサンプルリターンの経験を活かし、火星の衛星フォボスからサンプルを持ち帰る火星衛星探査計画（MMX）を計画しています。フォボスは内太陽系と外太陽系の境界に位置し、生命居住可能性（ハビタビリティ）を獲得したのちに失ったと考えられる火星のまわりを周回しています。そのことから、惑星系においてハビタビリティがどのように進化するのかを理解するためヒントを与える最も有望なターゲットと考えられています。
また宇宙科学研究所のキュレーション設備では、別の始原的小惑星からのサンプル受け入れの準備も進められています。NASAのOSIRIS-RExミッションは、今年９月に小惑星ベンヌからのサンプルを地球に届けることになっています。サンプルの一部はJAXAでリュウグウとの比較に用いられ、どんな特性が太陽系の始原的小惑星において共通であり、何がリュウグウに固有であるのか。こういった疑問に答えていく研究を進めていきます。
そして、もしキュレーションチームのメンバーに将来どうしたいかと尋ねたら、彗星の物質を分析してこれら小天体とのつながりを探ることが一番優先だと答えるでしょう。
（文： Elizabeth Tasker/ 訳：磯辺真純）
関連リンク：
「はやぶさ２」拡張ミッション
地球外物質研究グループ
リュウグウ サンプルカタログ
火星衛星探査計画（MMX）
The OSIRIS-REx mission （外部リンク）
リュウグウ試料分析に関する論文成果リスト
動画：
出典：
- Exposure Conditions of Samples Collected on Ryugu’s Two Touchdown Sites Determined by Cosmogenic Nuclides, Nishiizumi et al. 2021
- Noble gases and nitrogen in samples of asteroid Ryugu record its volatile sources and recent surface evolution, Okazaki et al. 2022. [→ JAXAプレスリリース]
- First asteroid gas sample delivered by the Hayabusa2 mission: A treasure box from Ryugu, Okazaki et al. 2022 [→ JAXAプレスリリース]
- Samples returned from the asteroid Ryugu are similar to Ivuna-type carbonaceous meteorites, Yokoyama et al. 2022 [→ JAXAプレスリリース]
- Formation and evolution of carbonaceous asteroid Ryugu: Direct evidence from returned samples, Nakamura et al. 2022 [→ JAXAプレスリリース]
- Macromolecular organic matter in samples of the asteroid (162173) Ryugu, Yabuta et al. 2023 [→ JAXAプレスリリース]
- Soluble organic molecules in samples of the carbonaceous asteroid (162173) Ryugu, Naraoka et al. 2023 [→ JAXAプレスリリース]
- A dehydrated space-weathered skin cloaking the hydrated interior of Ryugu, Noguchi et al. 2022 [→ ISASウェブリリース]
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