Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

高速衝突物理 / 高速化学反応 / 有機分析 / 衝突蒸気雲 / 地球初期大気 / 生命の起源 / 天体衝突 / 衝突閃光

研究計画第3年度の本年度は、(1)熱的に非平衡状態にある可能性のあるCNやC_2,CHラジカルを定量的に分光計測するための新しい解析法を開発すること、(2)ビームサイズおよび照射強度を大きく変化させてレーザー照射による衝突模擬実験によるガス生成物の収量変化を計測することを実験目標とした。その結果、(A)振動状態に関して非平衡な2原子分子についても回転温度のみを取り出して計測する計測方法を確立することができた。この計測方法を使うことにより、レーザー照射によって作った高温蒸気雲が、どのような条件の天体衝突によって作られる衝突蒸気雲に対応するかを定量的に評価することができるようになった。この方法を実際に利用することにより、本研究で生成しているレーザー蒸気雲は、1-8km/sの速度で斜め衝突した際に発生する大気と光速衝突破片の間の空力加熱由来の高温蒸気をよく再現していることが分かった。(B)こうして得られた対応関係を踏まえ上記(2)の実験結果を解析したところ、高速衝突破片内の還元炭素が窒素大気と反応して単純有機物であるHCNに変換する効率φは、衝突速度νに強く依存せず(φ∝V<-0.5>)、宇宙速度(>11.2km/s)においてもHCNが生成される可能性を示す結果を得た。一方、衝突蒸気雲の半径γはφに大きな影響を与えうることが示された(φ∝γ<-1.75>)。これは、衝突天体が斜め衝突した際に、細粒に破砕され且つ速やかに空間的に分散すれはHCNが効率的に生成されることを示唆している。本研究で得たφの推定値は、直径1km以下の小型炭素質小惑星が地球に斜め衝突した際には数百km^2程度の面積にわたって、10mol/m^2という多量のHCNが供給されるということに対応し、天体衝突が生命の発生に大きな影響与えた可能性を強く示唆している。

高速衝突物理 / 高速化学反応 / 発光分光学 / 衝突蒸気雲 / 衝突閃光 / 原子スペクトル / 生命の起源 / 初期地球進化

研究計画最終年度の今年度においては、衝突蒸気雲の様々な力学進化段階における化学反応を総合的に評価し、最終的にどのような化学種が生成するのかを推定することを中心に研究を進めた。具体的には、天体衝突による衝突蒸気雲の生成過程(初期温度圧力の決定)、蒸気雲内での水と金属の化学反応過程、金属元素の凝縮過程、金属微粒子の上での二酸化炭素と水素の反応過程(フィッシャー=トロプッシュ反応)、蒸気雲の浮力による上昇過程の5つの過程について考察を行った。
評価の結果、隕鉄質の天体が原始地球上の海あるいは氷河に高速衝突した場合には、水と金属鉄の化学反応により大量の水素ガスが生成すること、その際鉄原子のほとんどは酸化されてFeOとして凝縮すること、ニッケルはほとんど酸化されずに金属のまま凝縮すること、凝縮温度はFeOの方が高く、FeOの核の周りにニッケルの薄い層が出来る可能性が高いこと、蒸気雲の浮力による上昇速度は十分遅くニッケルの表面で大気中の二酸化炭素と蒸気雲中の水素が触媒反応して大量のメタンが生成される可能性が高いことなどが判明した。
この結果は、天体衝突によって生命誕生期の地球にメタンが大量に供給される可能性が高いことを示唆している。また、同様の現象は、隕石重撃期の火星についても起きる可能性は高い。もしこの現象が起きれば、メタンの強力な温室効果により、火星の温暖湿潤気候を一時的に作り出すことができたはずである。これは、火星の古気候を考える上で非常に重要な地質学的プロセスである。