大型放射光施設 SPring-8

公開日

2020年05月13日

2020年5月13日
東京大学
東北大学
大阪大学
高輝度光科学研究センター
高エネルギー加速器研究機構
東京工業大学

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。

発表内容
　火星は地球の次に研究が進んだ惑星であり、近年は探査が盛んに行われています。これまでの地球物理的観測や火星由来とされる隕石の研究から、火星にも金属コアがあり、それは液体鉄−硫黄合金でできていると考えられてきました。しかし、これまで内部の探査が行われてこなかったため、火星内部の構造（例えばコアの大きさ）や化学組成に関しては未だよくわかっていません。ごく最近、NASAの火星内部探査を目的とした探査機インサイトによって、地震計が設置され、内部構造探査が進行中です。すでに数多くの火震（火星の地震）が観測されています。今のところ、火星の浅い部分を通った地震波しか観測されていませんが、今後火星コアを通過した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。
地震波速度の観測から火星コアの物質を特定するには、あらかじめ実験室で音速を測定しておく必要があります。火星コアは20万気圧以上の高圧下にあると考えられています。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。また超音波パルス法は、物質中を伝わる音速を測る手法の一つで、原理的に単純なことから産業分野でも広く使われています。これらにSPring-8やPFの強力な放射光X線を組み合わせることで、高圧高温下で音速の精密測定が可能になります。しかし、高圧下において液体試料が漏れないように封入し、なおかつ超音波の反射波を得るために試料の反射面を超音波振動子と平行に保たなくてはいけないため、非常に高い技術力を必要とされます。特に、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。

研究手法と成果
　本研究グループは、上記の問題を解決するために、鉄合金液体の音速測定に特化したセラミックス円筒ヒーターを開発しました。また、超音波振動子のサイズの最適化や張り付け技術の高度化により、高強度でありながら低ノイズな超音波信号の取得を可能にしました。その結果、火星コアの圧力に相当する20万気圧という極限環境下においても、高精度な音速測定を実現しました。
実験は、PFのビームラインAR-NE7AとSPring-8のビームラインBL04B1において行いました。川井型マルチアンビル装置を使って、目的の圧力まで荷重をかけ、その後セラミックスヒーターを使って加熱することにより、試料を高圧高温にし、融解させます。高温高圧下での試料長は、X線画像（レントゲン写真）から決定します（図１）。試料近くに取り付けた超音波振動子によって、電気信号を超音波信号に変換し、超音波が試料に伝播します。試料の前面と背面で反射した超音波パルスは来た道を通り、再度電気信号に変換されてオシロスコープで観測されます。この試料前面で反射した波と背面で反射した波の到達時間の差から試料中の超音波の往復の伝播時間がわかるので、試料長をこの伝播時間で割ることによって試料中の音速を求めることができます。このような実験を圧力と試料中の硫黄量を変えて何度も実験し、最終的に火星コア最上部に相当する20万気圧まで、液体鉄−硫黄合金の音速の圧力・温度・硫黄量依存性を明らかにしました。その結果、火星コアの条件下（約20～40万気圧）では、その音速は温度や硫黄量にほとんど依存しない（圧力もしくは深さのみで決まる）ことが明らかになりました（図２）。したがって、従来の仮説通り、もし火星コアが液体鉄−硫黄合金である場合、その硫黄量に依らず（純粋な鉄であっても）、観測される地震波速度は本研究で測定された値に一致する必要があります。一方、異なる場合は、シリコンや酸素など別の不純物の存在を意味します。

今後の展望と社会的意義
　火星のコアの化学組成（コア中の不純物の種類と量）は、火星の起源と深く関わっています。近い将来、NASAのインサイトをはじめとする火星内部探査ミッションによって火星コアの地震波速度が決定され、硫黄が主要な不純物ではない（もしくは硫黄以外の不純物も含まれている）とわかった場合、火星の起源を見直す必要があります。鍵となるのがシリコンと酸素です。
現在日本のJAXAは、火星の２つの衛星フォボスもしくはダイモスに探査機を送る、火星衛星探査計画MMX（2020年代前半打ち上げ予定）を進めています。地球の場合、原始地球に微惑星が衝突し（巨大衝突）、月が誕生したとされています。同じように火星も巨大衝突を経験し、これら２つの衛星が誕生したのか、それとも火星の重力によって微惑星が捕獲されただけなのか、衛星からサンプルを持ち帰ってどちらが正しいのか決着をつけようとしているのです。
もし火星が巨大衝突を経験し大規模に融解した場合、火星マントルの主要元素シリコンと酸素はコアにも取り込まれます。近未来観測されるであろう火星コアの地震波速度と、今後の実験室での液体鉄−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・酸素の存在を検証することができます。したがって、火星が巨大衝突を経験したかどうかをこの手段でも検証することにより、MMXミッションと連携した、火星の形成プロセスの解明に関する大きな成果が期待されます。

【用語説明】