海王星の外から地球の空に届いた塵の粒に、太陽系ができたころの水の名残があった。その水は重い酸素を多く含み、内側の水と混ざっていなかった

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海王星の外側に広がるカイパーベルトは、探査機で物を持ち帰れる場所ではない。それでも、そこから来たとみられる塵（ちり）の粒が、地球の上空で集められていた。NASA ジョンソン宇宙センターなどのチームがその粒を調べたところ、太陽系ができたころの水の名残が見つかった。その水は、地球や隕石の水とは性質が違っていた。研究は学術誌 Science Advances に載った。

地球に降り続ける宇宙の塵

太陽系の惑星のあいだには、細かい塵がたくさん漂っている。地球には、こうした塵が毎年5,000トン以上降ってくると見積もられている。大きさは髪の毛の太さより小さいものがほとんどで、空気にぶつかってもゆっくり減速し、燃え尽きずに落ちてくる粒もある。

NASA は昔から、高い高度を飛べる航空機に粘り気のある油を塗った板を付けて、成層圏でこの塵を集めてきた。集めた粒は「惑星間塵」と呼ばれ、ジョンソン宇宙センターで保管されている。地上に落ちてからでは雨や土にまみれてしまうが、成層圏で拾えば、宇宙にいたときに近い状態で調べられる。

海王星の外から地球の空に届いた塵の粒に、太陽系ができたころの水の名残があった。その水は重い酸素を多く含み、内側の水と混ざっていなかった

ただ、拾った粒がどこから来たかは、見た目では分からない。小惑星帯から来た粒もあれば、彗星から来た粒もある。研究チームを率いたリンゼイ・ケラー（Lindsay Keller）さんたちは、粒が宇宙で受けた「傷」の数を手がかりにした。

傷の多さで、遠くから来た粒を見分ける

宇宙空間には大気がないので、塵は太陽から飛んでくる高いエネルギーの粒子に直接さらされる。この粒子が鉱物の中を通り抜けると、結晶の並びが乱れた細い跡が残る。宇宙を漂った時間が長いほど、跡はたくさんたまる。

一方、太陽のまわりを回る塵は、太陽の光を受けてわずかにブレーキがかかり、少しずつ内側へ落ちていく。遠くで生まれた粒ほど、地球の軌道にたどり着くまでに長い時間がかかる。だから、跡の多さを数えれば、その粒がどれくらい遠くから来たかの見当がつく。

チームが選び出した12個の粒は、大きさが10〜30マイクロメートル（1マイクロメートルは1,000分の1ミリ）だった。跡の密度は、小惑星帯や木星の近くを回る彗星から来た粒より100倍ほど高く、海王星より外のカイパーベルトから来たと考えると説明がつく。粒は炭素がとても多く、炭素を多く含むタイプの隕石の4倍ほどあった。太陽から離れた冷たい場所でできたことを示す、別の手がかりになる。

そして、粒の多くに粘土の鉱物が入っていた。サポナイトや蛇紋石（じゃもんせき）といった、岩石が水と反応してできる鉱物だ。今のカイパーベルトの天体は凍りついているが、生まれて間もないころには、放射性の元素が出す熱やぶつかり合いの熱で、内部の氷が溶けた時期があったと考えられる。粒は、そのとき水と岩が反応した跡を抱えていた。論文によると、反応は低い温度で、水と二酸化炭素を含む液体のもとで進んだ。

海王星の外から地球の空に届いた塵の粒に、太陽系ができたころの水の名残があった。その水は重い酸素を多く含み、内側の水と混ざっていなかった

残っていたのは、重い酸素を多く含む水だった

水そのものはとうに失われている。それでも、水と反応してできた鉱物には、水に含まれていた酸素が取り込まれている。チームはこの酸素を調べた。

酸素には、重さの違う仲間（同位体）がある。ほとんどは酸素16で、ほかに少しだけ重い酸素17と酸素18がある。この割合は、物質がどこでどうできたかによって少しずつ変わるので、生まれた場所の手がかりになる。

12個の粒の鉱物は、酸素17と酸素18が多かった。鉱物ができた反応をさかのぼって計算すると、反応に使われた水そのものが、重い酸素をとても多く含んでいたことになる。論文はこれを「重い水」の大きな貯蔵庫と呼んでいる。ここで言う「重い」は酸素が重いという意味で、水素の代わりに重水素が入った、いわゆる重水とは別の話だ。

太陽系の外側の氷は、生まれたころの円盤の中で、光による化学反応を受けて重い酸素が多くなったと、以前から予想されていた。ところが、その証拠は隕石の中にほとんど見つかっていなかった。地球に届く隕石の多くは、太陽に近い側の、物質がよく混ざった場所から来ているからだ。今回の粒の水は、炭素を多く含む隕石から推定される水とも違っていた。海王星の外の氷は、内側の太陽系と混ざらないまま、太陽系ができたころの性質を保っていた。

外側の水が混ざらずに残った理由

論文は、この貯蔵庫が巨大ガス惑星の軌道より外にあり、内側の物質からおおむね切り離されていたと結論づけた。切り離した役は、生まれたばかりの巨大惑星だった可能性がある。ScienceAlert の解説によると、若い土星がまわりのガスと塵の円盤に圧力の高い帯を作り、外側の物質が内側へ流れ込むのを遅らせたり止めたりしたという計算がある。土星と、その外の天王星・海王星が、外側の水の性質を守ったという見方だ。

海王星の外から地球の空に届いた塵の粒に、太陽系ができたころの水の名残があった。その水は重い酸素を多く含み、内側の水と混ざっていなかった

12個は少なく見える。ただ、ケラーさんと共著者は2022年の論文で、太陽系の内側に入ってくる惑星間塵のうち、最大で4分の1ほどがカイパーベルトから来ている可能性があると見積もっていた。探査機を送らなくても、成層圏で集め続けている塵の中に、太陽系の端のかけらが混ざっている。今回の研究は、その中から太陽系の始まりのころの水の記録を読み出してみせた。

カイパーベルトの天体は、太陽系ができたころからあまり変わっていない残りものと考えられている。地球に降る塵を調べる研究は、行くのが難しい場所の物質に手を届かせる方法として、これからも続いていくはずだ。

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宇宙・天文
NASAカイパーベルト土星太陽系の起源宇宙塵惑星科学惑星間塵成層圏水酸素同位体
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