Experiment
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. 惑星物質解析クリーンルーム
隕石や宇宙塵などの分析や試料準備は、外的な汚染(コンタミネーション)を防ぐため、不純物やゴミが入らないようにした清純度の高いクリーンルームで行います。
2020年末に帰還予定のはやぶさ2のリュウグウ回収試料の分析準備は写真のグローブボックスにて行います。これは、グローブボックス内部を窒素で置換し、酸素濃度や湿度を低くしてやることでリュウグウの試料が大気に曝されないようにするためです。これにより、地球の大気の影響を受けないリュウグウの試料を分析することができます。現在、はやぶさ2の回収試料の想定される量や大きさに対して、その分析や試料準備のフローについて綿密に計画を練り、リハーサルを行なっています。
クリーンルームでは宇宙塵のピックアップ作業も行っています。宇宙塵は、直径1mm以下の地球外物質であり、その中には小惑星や彗星のかけらが存在します。これらを実体鏡下で選別することで、本来簡単に手に入れられない地球外物質を実際に手にし、化学分析を行うことができます。中でも、太陽系古い天体の一つとして考えられている彗星の塵を回収し、分析することは、生命や太陽系起源についてより多くの情報を得られるため重要であると考えられます。このように宇宙塵に残された物質情報に基づき、太陽系の起源と初期進化過程をより知るための研究を進めています。
3. 反射スペクトル測定装置
小惑星の太陽光の反射光を地球上や探査機で分光することによって反射スペクトルを取得します。この反射スペクトルには小惑星の物質科学的情報が含まれており、小惑星の反射スペクトルと実験室で測定した隕石の反射スペクトルを比較することで、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。当研究室では、有機物の情報を多く含む紫外波長域、水や鉱物の情報を多く含む可視〜赤外波長域について隕石試料の反射スペクトルを取得することができます。さらに微小領域(数十 μmサイズ)についてコンドリュールやリムなどの構成物質ごとの反射スペクトル測定も可能です。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. コンドリュール再現合成装置
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. 希ガス質量分析計
原子や分子のイオンが磁場中を運動するとき、その質量数や電荷の比の違いによって異なる軌道を描きます。希ガス質量分析計は、これを利用して希ガス同位体を質量数ごとに区別して検出する装置です。
希ガス同位体とは、周期表における右端の18族元素である希ガス、すなわちHe、Ne、Ar、Kr、Xe、Rnの同位体（原子番号が同じで、質量数がことなるもの）のことです。
これまでの研究から、小惑星から飛来する隕石やリターンサンプルの希ガス同位体は、様々な要因によってその存在量が多様な値を示すことがわかっています。そのため、小惑星に含まれる希ガス同位体の存在量を測定することで、その小惑星が過去にどのような現象を経験したかがわかります。
