논문 소개
탐사기 '하야부사' 회수 미립자에 남아 있는 슬롯 총판 표층 환경

나카무라 에이조・마키시마 아키오・모리구치 타쿠야
다니우치 유스케(슬롯사이트 지구물질과학연구센터)·야다 타츠·아베 마사마·후지무라 아키오·우에노 종효·
무카이 토모토루, 요시카와 마코토, 카와구치 준이치로(우주 항공 연구 개발 기구)
(미국 과학 아카데미 기요전자판에 2012년 2월 27일 게재)


슬롯 총판은 지구와 화성과 같은 고체 행성, 혹은 달과 같은 큰 위성까지 성장하지 못하고 진화를 멈춘 천체이며, 지구에서는 잃어버린 태양계의 형성 초기 및 그 후의 물질 진화의 정보를 기록·유지하고 있다고 생각되고 있습니다. 또한 슬롯 총판은 지구상에서 발견되는 운석의 주요 공급원으로 여겨지고 있으며, 다양한 운석을 이용하여 슬롯 총판의 화학 조성과 성립의 다양성에 대한 과학 연구가 이루어져 왔습니다. 그러나 어떤 운석이 어떤 슬롯 총판에서 왔는지의 정확한 대응 관계를 얻는 것은 어려운 데다 지구에 돌입할 때의 대기 마찰에 의해, (우주 공간에 직접 노출되어 있던) 운석 표면의 정보는 없어져 버립니다. 그러므로 슬롯 총판 표면에서 무슨 일이 일어나고 있는지 알아내는 것은 매우 어려웠습니다. 이에 대해 이번 탐사기 '하야부사'에 의해 슬롯 총판 이토카와 표면에서 가져온 시료는 대기가 없는 소천체상에서 실제로 우주 환경에 노출된 상태를 거의 그대로 유지하고 있습니다. 즉, 시료를 상세하게 관찰·분석함으로써 슬롯 총판 표면에서의 활발한 물질·물성의 다양화 과정을 과학적으로 검토할 수 있게 되었습니다.

이 논문은 우리 슬롯사이트 지구물질과학연구센터의 연구팀이 '하야부사' 회수 시료 5 입자(!)의 초기 분석을 통해 얻은 연구 성과를 정리한 것입니다. 각 입자의 크기는 40~110마이크로미터(1마이크로미터는 1/1000밀리미터) 정도로 매우 작았지만, 상세한 관찰의 결과, 입자 본체는, 간란석, 휘석, 장석 및 유리, 혹은 그 복합체로 이루어져 있는 것을 알 수 있었습니다. 이들 미네랄 상의 화학적 조성 및 산소 동위원소 조성의 분석 결과, 이들 입자는 지구상의 것이 아니고, 일반적으로 운석이라고 불리는 운석의 분석 결과와 매우 유사하다는 것이 밝혀졌다. 소행성 이트카와 표면에는 보통 운석으로 분류되는 물질이 존재하고 있을 것입니다. 또한 이들 물질은 과거에 일단 900℃ 정도의 온도까지 가열된 것도 밝혀졌습니다. 이것은 Itokawa 이전에 원래의 더 큰 (직경 수십 km 정도) 어머니 소행성이 존재했음을 보여줍니다. 또한 입자에 조직구조로서 기록된 충돌의 흔적에 의해 그 모소행성상에서 대규모의 충돌파괴가 일어난 것을 알게 되었습니다.

우리는 전계 방출형 주사 전자 현미경을 이용한 미립자 표면의 상세한 관찰을 세계 최초로 실시했다. 그 결과는 놀라운 것이었습니다. 입자 표면에는, 태양풍에 노출되는 것에 의한 우주 풍화의 흔적에 가세해 수 10나노미터(1나노미터는 1/100만 밀리미터)의 미립자가 매우 고속(수십 km/초)으로 부딪친 결과 형성된 도넛 같은 링을 가지는 크레이터나, 충돌의 에너지에 의해서 융해 마이크로미터 정도의 파쇄된 극미세 입자가 표면에 부착되어 있는 등, 인류가 처음으로 보는 다양한 세계가 퍼져 있었습니다. 이러한 관찰은 슬롯 총판(대기 없는 미세중력 천체) 표면에서의 활발한 물질 충돌의 결과로 생각할 수 있다.

「하야부사」에 의한 관측으로부터, 슬롯 총판 이트카와는 크고 작은 다양한 암석이 잔해처럼 쌓인 구조를 하고 있다고 되어 있습니다. 이번 연구에 따르면, 이들의 암석(적어도 일부)은 원래 더 큰 천체를 구성하고 있으며, 그것이 천체끼리의 충돌에 의해 파쇄되어 다시 모여서 현재의 이토카와가 되었다고 생각할 수 있습니다. 그리고 슬롯 총판 이토카와가 형성된 후에도, 그 표면에 다양한 크기의 물체가 충돌해, 파괴, 융해, 그리고 풍화에 수반해, 우주 공간에 매우 미세한 먼지를 계속 방출하고 있습니다. 불행히도 분석에 사용할 수 있는 양이 충분하지 않기 때문에 어느 정도의 시간에 발생하는지 결정할 수 없었습니다. 이 연구를 계기로, 태양계 내의 물질의 운동이나, 진화를 멈춘 것으로 생각되고 있던 슬롯 총판 표면에서의 활발한 물질 상호작용에 대한 이해가 진행될 것으로 기대됩니다. 또 이 연구 성과를 바탕으로 장래의 행성 탐사 계획의 입안·추진에 공헌할 수 있다고 생각하고 있습니다.



그림 해설 : 탐사기 "하야부사"에 의해 슬롯 총판 이토카와 표면에서 가져온 시료의 전자 현미경 사진.
우주 공간과 접하는 슬롯 총판 표면의 상태는 충돌과 파괴를 특징으로 한다. 일견 조용한 우주 공간을 감도는 슬롯 총판 이토카와입니다만, 그 표면은 항상 고속 미립자가 충돌하는 “격렬한” 환경이라고 할 수 있습니다.
(a) 전형적인 입자의 전자 현미경 사진(일본 전자 JSM-7001F로 촬영). 입자는 모퉁이가 있으며 파쇄에 의해 생성되었음을 나타냅니다. 표면에는 더욱 미세한 입자가 부착되어 있습니다.
(b) 슬롯 총판 표면에서 충격에 의해 한번 녹은 물체가 표면에 다시 부착되어 급냉·고체가 된 물체. 내부에 발포한 구조가 관찰됩니다. 녹는 시간은 약 1/1000 초로 슬롯 총판 표면에서 1m 거리에서 흩어진 것으로 추정됩니다.
(c) 도넛 모양의 반지를 가진 나노 분화구 (직경: 300 나노미터 정도).
(d) 슬롯 총판 표면에 쏟아지는 태양풍(주로 수소 원자 등의 플라즈마)에 의한 침식에 의해 형성되었다고 생각되는 상어 피부 조직(오른쪽) 왼쪽의 깨진 면은 매끄러운 표면을 하고 있습니다.