これらのダイヤモンドは小さく、傷があり、長い間失われていた惑星から来た可能性があります

2008年、小さなダイヤモンドをまとった岩石が、何マイルにもわたる窒素、酸素、二酸化炭素の濃密な層を猛スピードで通過し、厚い空気の中を進むにつれてその外側が熱を帯びていった。望遠鏡がその進行を追跡し、小惑星が流星に変化して爆発する様子をとらえた。地上23マイル上空で起きた激しい爆発で、破片はスーダンのヌビア砂漠の砂を背景に暗く沈んだ場所へと猛スピードで飛んでいった。

この爆発と衝突は、有望な惑星の誕生の始まりに起こった高圧から、大惨事による失敗、そして太陽系の周りを目的もなくさまよう数十億年にわたる屈辱の、最新の出来事に過ぎなかった。

本日ネイチャー・コミュニケーションズ誌に掲載された新しい研究は、この隕石の劇的な起源物語を提示している。内部に埋め込まれたダイヤモンドの内部で発見された物質に基づき、研究者らはこれがはるか昔に失われた惑星または惑星の胚の残骸である可能性があると考えている。初期の太陽系の混乱によって消滅した当時、その惑星はまだ幼少期にあった。

ダイヤモンドは地質学者の親友

この場合、ダイヤモンドは物語の最も重要な部分ではありません。ダイヤモンドは、内部に収められたはるかに貴重な貨物を梱包するための頑丈な梱包材にすぎません。宝石商はダイヤモンドの中に閉じ込められた岩石を欠陥と見なすかもしれませんが、地質学者にとっては貴重なものです。ダイヤモンドは結晶構造が強いため、宇宙の容赦ない変化によって時間とともに消えてしまうような微量の物質を保存することができます。

スイスのローザンヌ連邦工科大学の研究者ファルハン・ナビエイ氏は、ダイヤモンドとそれを取り囲むグラファイトの層との関係を調べていたとき、ダイヤモンドの中に閉じ込められた物質の小さなポケットについて疑問を持ち始めた。

さらに詳しく調べたところ、ダイヤモンド内部の物質は、信じられないほど高い圧力でしか形成できなかったことがわかった。これは、隕石が地球に衝突したときに受けたであろう圧力よりもはるかに高い圧力だった。これらのダイヤモンドは、文字通り、地球全体の重量を支えていたに違いない。これらの物質を形成するのに必要な圧力は、20ギガパスカルで、水星と火星の間の大きさの惑星の奥深くで発生すると考えられる。

この訪問者は水星や火星から来たのではない。この隕石はユレイライトに分類される。ユレイライトは謎の起源を持つ隕石のグループで、人類が今日記録している岩石の天体とは完全には一致しない、惑星または小惑星の破片である。研究者たちは、それが何であれ、おそらく初期の太陽系の破壊運動でその終焉を迎えただろうとすでに知っていたが、その物体（または複数の物体）の大きさは、その含有物が説明されるまでは未だ不明であった。ダイヤモンドの大きさは、その起源の奥深さを知るもうひとつの手がかりである。

「100ミクロンは大して大きくないように思えます。人間の髪の毛くらいの大きさです。しかし、衝撃でグラファイトがダイヤモンドに変化する過程で得られるダイヤモンドよりはるかに大きいのです」とアリゾナ州立大学の地質学者で、今回の研究には関わっていないが、同様の電子顕微鏡ツールを使用して隕石を研究しているトーマス・シャープ氏は言う。

「このパズルの重要なピースは、ダイヤモンドが大きく、帯状に分布しているということです。これは、ダイヤモンドが天体の内部深くで形成された（例えば、衝突で形成されたのではない）という考えを強く裏付けています」と、この研究には関わっていないハーバード大学の惑星科学者レベッカ・フィッシャーは電子メールで述べています。フィッシャーは、ダイヤモンド内部の物質（ニッケル（Ni）とリン（P）を含む鉄硫黄化合物）のバルク組成は、高圧下でのみ形成される可能性が高いと指摘しています。「Fe3Sは、21GPaを超えると安定する、よく研究されている相です。NiとPを追加すると、安定する圧力が変わりますが、著者らは、観察されるバルク組成を考えると、これは大きな影響はないと主張しています。これは将来の実験研究で検証される可能性があります。また、ユレイライトからのダイヤモンドを今後も観察し、その包有物に他の高圧相が捕捉されているかどうかを確認することも興味深いでしょう。捕捉されていれば、著者らの解釈を強く裏付けるものとなるでしょう」とフィッシャーは言います。

初期の惑星

これは、原始惑星または惑星の胚が太陽系の形成初期に出現したという証拠を裏付けるものであり、当時は現在よりも物事がはるかに不安定に見えた。木星やその他のガス惑星は急速に成長し、それらの重力（太陽の重力と同様）はより小さな物体を投げ飛ばす傾向があった。それらのより小さな物体も急速に形成されていた。火星隕石で見つかった同位体に関するこれまでの研究では、火星は太陽系が存在してから最初の約200万年で急速に形成されたことが示されている。「その意味は、火星が非常に初期に生まれたそのサイズの漂着した惑星の胚であり、非常に初期に形成され、惑星形成シナリオに参加したそのサイズの惑星体があったことを示唆している」と、今回の研究には関与していないアリゾナ州立大学隕石研究センター所長のミーナクシ・ワドワ氏は言う。

「力学モデルは、地球型惑星の集積が始まったころ、太陽系内部に月や火星サイズの天体が多数存在していたことを長い間示唆してきましたが、それらは一般的には惑星に取り込まれたか、太陽に集積されたり太陽系から放出されたりして失われたと考えられています」とフィッシャー氏は言う。「隕石記録の中に、これらの天体のうちの 1 つであるユレイライトのサンプルが実際に存在するというのは、実に興味深い証拠です。」

惑星科学者たちは、ユレイライトに分裂した母天体が太陽系のどこで形成されたのか、また最終的にどのように破壊されたのかをまだ正確にはわかっていないが、世界中から集められたサンプルを分析して、それ以前に何があったのかをもっと知ろうとしている。

「これまで研究されてきた他の種類の隕石では、比較的大きな母天体から来た可能性が示唆されていましたが、ここまで定量化されたことはありませんでした」とワドワ氏は言う。ワドワ氏は、初期太陽系の年代を調べ、初期の地殻が惑星の胚でどのように形成されたか（太陽系形成後200万～400万年*）を測定し、他のグループは初期惑星の高密度金属核がどれだけ早く形成されなければならなかったか（太陽系が100万歳になる前）を研究している。しかし、それらの天体の年齢を解明することは一つのことだ。それらがどれくらいの大きさだったかを推定することは全く別の課題だ。「これは、もはや存在しないそのサイズの天体について最も定量化された推定値だと思います。その観点からは刺激的です」とワドワ氏は言う。

システムへの衝撃

太陽系の形成を詳細に表すコンピュータモデルは、急速な形成過程を予測している。太陽を取り囲むガスと塵の円盤から、ガス巨星が急速に渦巻き、その後すぐに岩石の天体が積み重なっていった。現在、岩石惑星は4つしかなく、衛星と小惑星もいくつかあるが、当時、つまり太陽系の最初の1000万年間には、数十の惑星の胚胎があり、それぞれが可能な限り多くの物質を蓄積していた可能性があるとナビエイ氏は言う。

控えめに言っても、混雑していました。そして、混雑した環境ではどこでもそうであるように、衝突が起こることもありました。時には、衝突が創造的なプロセスとなり、1 回の衝突で月が誕生することもありました。しかし、他の場合には、衝突は壊滅的でした。

砂漠から見つかった隕石の破片にも、この破壊的な過程の証拠が残っている。ダイヤモンドは隕石としては比較的大きく、直径約 10 マイクロメートルである。ダイヤモンドの大きさは以前の文献でも説明されていた。しかし、ナビエイ氏と同僚による新しい研究では、ダイヤモンドは 46 億年前の恒星系の初期からのタイムカプセルとして機能するだけでなく、惑星間の荒々しい関係の証拠でもあることがわかった。

ダイヤモンドはグラファイト層に囲まれていたが、これはそれほど珍しいことではない。グラファイトとダイヤモンドは、同じ物質である炭素の異なる形態にすぎない。しかし、ダイヤモンドの配列から判断すると、ナビエイ氏はダイヤモンドが周囲のグラファイトから形成されたとは考えていない。むしろ、ダイヤモンドは、巨大で衝撃的な出来事、おそらくは母天体である不運な微惑星からダイヤモンドを分離させたのと同じ衝突の際に、部分的にグラファイトに変化した可能性が高い。

さらなる隕石

この研究によって描かれた、はるか昔に失われた惑星のイメージに当てはまるかどうかを調べるために、調査とテストが必要なユレイライトのサンプルがまだたくさんあります。

「こうしたものが他にもあるのだろうかという疑問が湧いてきます」とシャープ氏は言う。「衝撃波ではなく大きな物体から形成されたかどうかを判断するために、さらに特性を調べる必要があるダイヤモンドを含むサンプルは他にもあるのでしょうか？」

「私たちは、ある特定のユレイライトのサンプルに基づいて絵を描きました。今は、他のサンプルを調べて、それを絵に当てはめようとしています」とナビエイ氏は言う。ジグソーパズルのようなものかと尋ねると、彼は笑って同意した。「少なくとも、今はそれが大きなパズルだということはわかっています」とナビエイ氏は言う。

ナビエイ氏は、自分の研究を発表し、論文について他の研究者と話すことを楽しみにしている。同氏は、もともとこの研究について昨年12月にアメリカ地球物理学連合の会議で議論する予定だったという。

「私は、このことについて現地の人々や科学者全員と話すのをとても楽しみにしていましたが、実現しませんでした」とナビエイ氏は言う。彼はイラン人で、最近の渡航禁止令によりビザが拒否された。「パリで発表するつもりですが、少なくとも今のところ、米国は私たちにとって立ち入り禁止です。」

ナビエイ氏はスイスで研究を続け、極小の破片を使って太陽系の歴史上最も大きな穴のいくつかをつなぎ合わせる予定だ。

「私たちが見ているのは数十ナノメートルの含有物であり、直径数千キロメートルの惑星について話しているのです」とナビエイ氏は言う。「大きさの範囲の両極端のようなものです。顕微鏡を使って惑星の形成について語れるとは想像もしていませんでした。私たちが見ることができるものの限界を押し広げているようなものです。」

• 更新: この記事は当初、惑星の胚の地殻と核の形成に関する推定値を誤って記載していました。そのプロセスは、200 万年から 400 万年前ではなく、太陽系が形成されてから 200 万年から 400 万年後に発生したと推定されています。この誤りを深くお詫び申し上げます。