｢はやぶさ2｣ミッションによる世界初の小惑星からのガスサンプル：
リュウグウからのたまて箱

　小惑星探査機｢はやぶさ2｣が地球に持ち帰ったサンプルコンテナ内のガス成分の質量分析およびガス採取を行いました。カプセル回収から30時間後に、オーストラリア現地でガス採取・分析装置(GAEA)を用いてコンテナ内のガス成分の抽出・採取・質量分析を行いました。その後、採取したガスを国内外の研究機関に配布し、ガス成分の精密な同位体分析を行いました。その結果、コンテナガスは太陽風と地球大気の混合であることが判明しました。コンテナ内のヘリウム量から計算したところ、リュウグウ試料の表面が剥離した際に遊離した太陽風がコンテナガスとして含まれている可能性が最も高いことがわかりました。近地球軌道小惑星からガス成分を気体のまま地球に持ち帰ったのは、｢はやぶさ2｣ミッションが世界で初めてです。

図1：GAEA搭載の質量分析装置によるコンテナガスの質量分析結果(青色実線)。 横軸は質量(m)とイオン価数(z)の比(m/z)、縦軸はm/zに相当するイオンの質量分析装置での電気信号強度(任意スケール)。装置由来のガス(灰色点線)や地球大気標準ガス(赤丸)とくらべてm/zが４のガス(ヘリウム)が過剰に存在する。

小惑星探査機｢はやぶさ2｣は2020年12月6日にオーストラリア・ウーメラ地域にリエントリカプセルを着陸させました。カプセルには小惑星上で採取したリュウグウ試料を封じたサンプルコンテナが収納されています。サンプルコンテナはメタルシール機構で密封構造になっています。このサンプルコンテナ内のガス成分をカプセル地球帰還の30時間後に質量分析およびガス採取を行いました。
　まず、ウーメラで回収したリエントリカプセルを現地に設置した研究施設に持ち込み、カプセルの安全化および清浄化作業を行った後、サンプルコンテナをカプセルから取り出しました。その後、日本から輸送したガス採取・分析装置(GAs Extraction and Analysis system, GAEA)の接続インターフェイスを介して真空装置とサンプルコンテナを接続しました。コンテナ底部に真空中で細孔を開け、大気に暴露することなくコンテナ内のガスをGAEAに導入しました。GAEAの真空圧力計によってコンテナ内圧は68 Paであり、地球大気の千分の一以下です。
　圧力測定後、ガスの約8割を専用の金属製容器に回収しました。残りのガスをGAEAに搭載された質量分析計(Quadrupole Mass Spectrometer, QMS)に導入し、質量分析を行いました。その結果、コンテナには質量/イオン価数比(m/z)が2(水素分子)、4(ヘリウム4)、28(窒素分子あるいは一酸化炭素)、40(アルゴン40)が主要なガス成分であることがわかりました。
　より詳細な同位体分析を行うため、金属容器に回収したガスの一部を国内外の7つの研究機関に配布しました。その結果、ヘリウムの同位体比が地球大気と比べて、質量数3のヘリウム(³He)が100倍多いことが判明しました(図2)。また、ネオンの同位体組成も地球大気とは異なっていました。コンテナ内のヘリウム、ネオン、アルゴンの元素存在度とヘリウム同位体比を検討した結果、コンテナガスは太陽風と地球帰還後にコンテナ内に混入した地球大気の混合で説明できることがわかりました(図2)。
　一方、m/z 28のガスは窒素分子であること、窒素の同位体組成は地球大気の値に近いこと、アルゴンの同位体組成も地球大気に近いことがわかりました。このことは、ヘリウムとネオン以外のガスの大部分は地球大気起源であることを示しています(図3)。また、リュウグウに含まれる含水鉱物の脱水で発生する水蒸気などは非常に高感度な分析装置を用いてもコンテナガスからは検出されませんでした。
　コンテナ内に存在する太陽風起源のヘリウムとネオンがどのようにしてリュウグウ試料から遊離したのかを、コンテナ中のヘリウムの量、リュウグウ試料の回収質量、サイズ分布、ヘリウムガス濃度をもとに考察しました。｢リュウグウ試料がコンテナ内で等方的に割れる場合｣と、｢太陽風が打ち込まれている試料表面だけが選択的に剥離する場合｣の2つの試料破砕様式(図4)での太陽風ヘリウムの放出率を計算しました。その結果、表面剥離であれば、総表面積のおよそ2 ％が剥離すれば、コンテナ内のヘリウム量を説明できることがわかりました。等方的な破砕の場合は試料が非常に細かく破壊され細粒になっている必要がありますが、実際のサンプルキャッチャで見つかったリュウグウ試料は数ミリメートルサイズのものも存在するため、その可能性は低いといえます。また、大気圏突入時の加熱の可能性も検討しましたが、コンテナの温度は65℃を超えておらず、リュウグウ試料に与えた熱的影響は小さいといえます。
　｢はやぶさ2｣は小惑星リュウグウから固体物質だけでなく、試料から遊離したガス成分も地球に持ち帰えることができたことをコンテナガスは証明しました。このような、近地球軌道天体から気体のサンプルを採取し、持ち帰ったのは、｢はやぶさ2｣ミッションが世界初です。サンプルコンテナはまさにリュウグウからの｢たまて箱｣だったといえます。

図2：はやぶさ２コンテナガスのヘリウムおよびネオン同位体組成(緑色)。 地球大気(Earth’ atmosphere)と太陽風(Solar wind)の混合で説明できる。実線は端成分の混合線を表す。木星大気(Jupiter’s atmosphere)、始原的希ガス(P1)、先太陽系起源希ガス(P3, HL)、および銀河宇宙線生成希ガス(GCR-produced)も比較のために示している。

図3：コンテナガスの元素存在度(青実線)。測定誤差は灰色棒で示している。縦軸は³⁶Arと地球大気組成で規格化した存在度。横軸はガス種を示す。ヘリウムは地球大気(オレンジ色点線)に比べてひと桁以上過剰である。

図4：リュウグウ試料のコンテナ内での破砕の様式。(A)等方的に割れた場合、僅かな面積(黄色線)だけから太陽風が放出される。(B)粒子表面が剥離する場合、もとの粒子サイズは大きく変化しないが、太陽風を放出する面(黄色線)を効率的に生成できる。

雑誌名：Science Advances
論文タイトル：First asteroid gas sample delivered by the Hayabusa2 mission: A treasure box from Ryugu

著者：R. Okazaki¹, Y.N. Miura², Y. Takano³, H. Sawada⁴, K. Sakamoto⁴, T. Yada⁴, K. Yamada⁵, S. Kawagucci^6,7, Y. Matsui^6,7, K. Hashizume⁸, A. Ishida⁹, M.W. Broadley¹⁰, B. Marty¹⁰, D. Byrne¹⁰, E. Füri¹⁰, A. Meshik¹¹, O. Pravdivtseva¹¹, H. Busemann¹², M.E.I. Riebe¹², J. Gilmour¹³, J. Park^14,15, K. Bajo¹⁶, K. Righter¹⁷, S. Sakai³, S. Sekimoto¹⁸, F. Kitajima¹, S.A. Crowther¹³, N. Iwata¹⁹, N. Shirai^20,21, M. Ebihara²⁰, R. Yokochi²², K. Nishiizumi²³, K. Nagao²⁴, J.I. Lee²⁴, P. Clay¹³, A. Kano²⁵, M.W. Caffee^26,27, R. Uemura²⁸, M. Inagaki¹⁸, D. Krietsch¹², C. Maden¹², M. Yamamoto¹, L. Fawcett¹³, T. Lawton¹³, T. Nakamura⁹, H. Naraoka¹, T. Noguchi²⁹, H. Yabuta³⁰, H. Yurimoto¹⁶, Y. Tsuda⁴, S. Watanabe²⁸, M. Abe^4,31, M. Arakawa³², A. Fujii⁴, M. Hayakawa⁴, N. Hirata³², N. Hirata³³, R. Honda³⁴, C. Honda³³, S. Hosoda⁴, Y. Iijima^4†, H. Ikeda⁴, M. Ishiguro³⁵, Y. Ishihara36, T. Iwata4, K. Kawahara⁴, S. Kikuchi^37,38, K. Kitazato³³, K. Matsumoto^31,38, M. Matsuoka³⁹, T. Michikami⁴⁰, Y. Mimasu⁴, A. Miura^4, T. Morota²⁵, SatS.oru Nakazawa⁴, N. Namiki^31,38, H. oda^31,38, R. Noguchi⁴¹, N. Ogawa⁴, K. Ogawa³⁶, T. Okada^4,42, C. Okamoto^32†, G. Ono⁴³, M. Ozaki^{4, 31}, T. Saiki^4,31, N. Sakatani⁴⁴, H. Senshu³⁷, Y. Shimaki⁴, K. Shirai^4,32, S. Sugita²⁵, Y. Takei⁴, H. Takeuchi⁴, S. Tanaka⁴, E. Tatsumi^25,45, F. Terui⁴⁶, R. Tsukizaki⁴, K. Wada³⁷, M. Yamada³⁷, T. Yamada⁴, Y. Yamamoto⁴, H. Yano^4,31, Y. Yokota⁴, K. Yoshihara⁴, M. Yoshikawa^4,31, K. Yoshikawa⁴, S. Furuya⁴, K. Hatakeda⁴⁷, T. Hayashi⁴, Y. Hitomi⁴⁷, K. Kumagai⁴⁷, A. Miyazaki⁴, A. Nakato⁴, M. Nishimura⁴, H. Soejima⁴⁷, A. Iwamae⁴⁷, D. Yamamoto^4,48, K. Yogata⁴, M. Yoshitake⁴, R. Fukai⁴, T. Usui⁴, T. Ireland⁴⁹, H.C. Connolly Jr.⁵⁰. D.S. Lauretta⁵¹, S. Tachibana^52
1Department of Earth and Planetary Sciences, Kyushu University, Fukuoka, 819-0395, Japan.
²Earthquake Research Institute, The University of Tokyo, Tokyo, 113-0032, Japan.
³Biogeochemistry Research Center, Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC), Yokosuka, Kanagawa, 237-0061, Japan.
⁴Institute of Space and Astronautical Science, Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), Sagamihara, 252-5210, Japan.
⁵Department of Chemical Science and Engineering, Tokyo Institute of Technology, Yokohama, Kanagawa, 226-8503, Japan.
⁶Research Institute for Global Change, JAMSTEC, Yokosuka, 237-0061, Japan.
⁷Institute for Extra-cutting-edge Science and Technology Avant-garde Research (X-star), JAMSTEC, Yokosuka, 237-0061, Japan.
⁸Faculty of Science, Ibaraki University, Mito, 310-8512, Japan.
⁹Department of Earth Science, Tohoku University, Sendai, 980-8578, Japan.
¹⁰Université de Lorraine, CNRS, CRPG, F-54000 Nancy, France.
¹¹Physics Department, Washington University, Saint Louis, MO, 63130, USA.
¹²Institute of Geochemistry and Petrology, Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich, 8092 Zürich, Switzerland.
¹³Department of Earth and Environmental Sciences, The University of Manchester, Manchester, M13 9PL, UK.
¹⁴Physical Sciences, Kingsborough Community College, The City University of New York, Brooklyn, NY, 11235, USA.
¹⁵Department of Earth and Planetary Sciences, American Museum of Natural History, NY, 10024, USA.
¹⁶Department of Earth and Planetary Sciences, Hokkaido University, Sapporo, 060-0810, Japan.
¹⁷Astromaterials Research and Exploration Science, Mailcode XI2, National Aeronautics and Space Administration (NASA) Johnson Space Center, Houston, TX, 77058, USA.
¹⁸Institute for Integrated Radiation and Nuclear Science, Kyoto University, Osaka, 590-0494, Japan.
¹⁹Faculty of Science, Yamagata University, Yamagata, 990-8560, Japan.
²⁰Graduate School of Science and Engineering, Tokyo Metropolitan University, Hachioji, Tokyo, 192-0397, Japan.
²¹Department of Chemistry, Faculty of Science, Kanagawa University, Hiratsuka, Kanagawa, 259-1293, Japan.
²²Department of the Geophysical Sciences, The University of Chicago, Chicago IL, USA.
²³Space Sciences Laboratory, University of California, Berkeley, CA, 94720, USA.
²⁴Division of Earth Sciences, Korea Polar Research Institute, Incheon, 21990, Korea.
²⁵School of Science, The University of Tokyo, Tokyo, 113-0033, Japan.
²⁶Department of Physics and Astronomy, Purdue University, West Lafayette, IN 47907, USA.
²⁷Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences, Purdue University, West Lafayette, IN 47907, USA.
²⁸Department of Earth and Environmental Sciences, Nagoya University, Nagoya, 464-8601, Japan.
²⁹Division of Earth and Planetary Sciences, Kyoto University, Kyoto, 606-8502, Japan.
³⁰Department of Earth and Planetary Systems Science, Hiroshima University, Higashi-Hiroshima, 739-8526, Japan.
³¹Department of Space and Astronautical Science, The Graduate University for Advanced Studies, Hayama 240-0193, Japan.
³²Department of Planetology, Kobe University, Kobe, 657-8501, Japan.
³³Aizu Research Cluster for Space Science, University of Aizu, Aizu-Wakamatsu, 965-8580, Japan.
³⁴Center of Data Science, Ehime University, Matsuyama, 790-8577, Japan.
³⁵Department of Physics and Astronomy, Seoul National University, Seoul, 08826, Republic of Korea.
³⁶JAXA Space Exploration Center, JAXA, Sagamihara, 252-5210, Japan.
³⁷Planetary Exploration Research Center, Chiba Institute of Technology, Narashino, 275-0016, Japan.
³⁸National Astronomical Observatory of Japan, Mitaka, 181-8588, Japan.
³⁹Geological Survey of Japan, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Ibaraki, 305-8567, Japan.
⁴⁰Faculty of Engineering, Kindai University, Higashi-Hiroshima, 739-2116, Japan.
⁴¹Faculty of Science, Niigata University, Niigata, 950-2181, Japan.
⁴²Department of Chemistry, The University of Tokyo, Tokyo 113-0033, Japan.
⁴³Research and Development Directorate, JAXA, Sagamihara, 252-5210, Japan.
⁴⁴Department of Physics, Rikkyo University, Tokyo, 171-8501, Japan.
⁴⁵Instituto de Astrofísica de Canarias, University of La Laguna, Tenerife, Spain.
⁴⁶Department of Mechanical Engineering, Kanagawa Institute of Technology, Atsugi, 243-0292, Japan.
⁴⁷Marine Works Japan Ltd., Yokosuka, 237-0063, Japan.
⁴⁸Department of Earth and Planetary Science, Tokyo Institute of Technology, Ookayama, Tokyo, 152-8550, Japan.
⁴⁹School of Earth and Environmental Sciences, The University of Queensland, St Lucia QLD, 4072, Australia.
⁵⁰Department of Geology, School of Earth and Environment, Rowan University, Glassboro, NJ, 08028, USA.
⁵¹Lunar and Planetary Laboratory, University of Arizona, Tucson, AZ, 85721, USA.
⁵²UTokyo Organization for Planetary and Space Science, The University of Tokyo, Tokyo, 113-0033, Japan.
†Deceased.

DOI番号：　10.1126/sciadv.abo7239
公表日：　日本時間2022年10月21日(金)午前3時(オンライン公開)