Experiment

分析・実験手法

1.放射光分析

 宇宙塵のような極めて小さな試料を研究する場合に、有力な武器となるのが放射光です。放射光とは電子などの荷電粒子が加速され、磁場によって軌道を曲げられた際に放出する電磁波のことです。高エネルギー加速器研究機構(茨城県つくば市)やSPring-8(兵庫県佐用郡佐用町)の大型加速器は非常に強力な放射光を生み出すことができます。放射光を用いることで貴重な試料を破壊せずに、含まれている結晶の種類や構造を調べることができます。


2.反射スペクトル測定装置

小惑星は太陽光を反射してその一部を地球に向けており、それを各波長で分光することによって反射スペクトルを得ることができます。近年では探査機のリモートセンシングなどにより、高精度の小惑星の反射スペクトルが得られるようになりました。これを実験室で測定した隕石の反射スペクトルと比較することで小惑星と隕石の対応関係を明らかにすることができます。写真は当研究室にある反射スペクトル測定装置で、これを用いて隕石試料の分光を行っています。


3.マニピュレーターシステム

 宇宙塵のような微細な粒子を確実に扱うための機具がマニピュレーターです。マニピュレーターには人間の腕のように左右のアームがあり、その先端には白金線の入ったガラス棒が取り付けられています。宇宙塵は正か負に帯電していますので、この白金線に電圧をかけることで粒子をつかむことができます。JAXAの小惑星探査機はやぶさが惑星イトカワから持ち帰った貴重な試料も、この方法で分別作業を行いました。


4.ウルトラマイクロトーム

 宇宙塵などのとても小さな物質を樹脂に埋め込んだ"ロッド"から、膜のような極薄の切片("超薄切片")を切り出す装置です。作った超薄切片は、いわば調べたい物質の断面図です。これを"TEM"で観察することで、目ではもちろん普通の顕微鏡でも見えないような小さな領域を詳しく調べることができます。切り出した切片は、1本の猫の毛でつついて刃から離し、そのまま水に浮かべ、数枚まとめて金魚すくいのようにすくい取ります。これを"グリッド"(テニスラケットのガットのような形をした、銅でできた小さな円盤)に載せるのです。
 ところで、なぜ猫の毛でつつかなくてはいけないのでしょう?それは、もし切片を刃についたまま放っておくと、切片が刃にくっついたまま固まって、二度と刃から取れなくなってしまうからです。刃から離れなかった切片を見つけたら、すぐさま猫の毛の出番です。ヒトの産毛を代わりに使うこともありますが、柔らかさでは猫の毛がベストです。


5. SEM/EPMA

 SEM(Scanning Electron Microscope)は、細く絞った1本の電子線で試料をスキャンし、試料表面から発生する「二次電子」や「反射電子」を検出して、試料表面の凹凸や組成の違いを、およそ1000分の1ミリスケールまで画像観察できる装置です。SEMに、エネルギー分散型検出器(EDS)を付加することで、二次電子や反射電子と同時に放出される「特性X線」のエネルギーを利用して、元素分析を行うこともできます(SEM-EDS)。EPMA(Electron Probe Micro Analyzer)も「特性X線」を利用しますが、特性X線の波長と強度を利用することで、SEM-EDSよりも定量性に優れた元素分析を行うことができます。SEMやEPMAを用いることで、隕石や宇宙塵、実験的に作った宇宙の塵を構成する鉱物の観察や元素組成分析を行っています。


6. SIMS

 SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) は、固体中に含まれる極微量の同位体の濃度(およそ100万分の1の濃度)を測ることができる装置です。試料に高エネルギーの一次イオンビームを照射すると、試料表面から二次イオンが放出されます。この二次イオンを、電場と磁場を通過させることでエネルギーと質量の違いにより分離し、特定のイオンを検出することができます。SIMSを用いることで、隕石や宇宙塵の同位体組成を測定します。


7. TEM

 透過型電子顕微鏡(TEM)は、試料物質を透過した電子線によって、物質を観察する顕微鏡です。TEMが優れている点は2つあります。1つは、高分解能像が得られること。もう1つが、試料物質によって回折した電子線から電子回折図形が得られ、試料物質の結晶構造を解析できることです。私たちの研究室では、ウルトラマイクロトームを用いて作成した隕石の超薄切片や、実験的に作った宇宙の塵を模擬した物質のTEM観察を行っています。


8.宇宙塵創生装置

 宇宙塵創生装置は、気相から宇宙の塵の類似物を生成する装置です。干渉計を用いて生成環境をその場計測することで、宇宙の塵の生成過程の理解に必須の物理定数を求めることができます。


9.宇宙塵創生装置

 コンドライト隕石の約半分を占める球状の固体粒子・コンドリュールは、原始太陽系星雲内の無重力中で加熱溶融した後に冷える過程で結晶化しました。この時の温度や結晶化の速度、元素分配などを調べることで、星雲内の環境を知ることができます。宇宙空間に浮いている状態を再現することで、模擬コンドリュールを生成し、その結晶化プロセスに迫ることを目指しています。コンドリュールの持つ様々な組織の再現に成功しています。


10.光度計

 光度計は、鉱物の赤外領域の吸収スペクトルを測定する装置です。宇宙の塵の類似物が成長する過程のスペクトルを測定することができ、天体に存在する塵のスペクトルと直接比較することができるように特別にセットアップしています。もちろん、通常の吸収スペクトルも測定可能です。



東北大学大学院 理学研究科 地学専攻 初期太陽系進化学研究分野(中村智樹研究室)

〒980-8578 仙台市青葉区荒巻字青葉6-3


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