一粒一粒、一縷の宇宙|地学

5 年前のある 1 月の午後、プリンストンの地質学者リンカーンホリスターは、会ったことのない同僚からのメールを開きました。ヘルプ！ヘルプ！"理論物理学者であり、プリンストン大学の理論科学センターの所長であるポール・スタインハートは、自分の手に並外れた岩があり、それは自然なものだと思っていたが、その起源と形成を特定できなかったと書いています。ホリスターは 50 年のキャリアの中で無数の岩石を調査し、調査することに同意しました。

元来、微細な破片に粉砕された直径 2 ～ 3 mm の緻密な粒子であった岩は、光沢のある金属と黄色がかった色合いのつや消しの鉱物の寄せ集めでした。ホリスターは、オレゴン州のジョセフィナイトと呼ばれるものを思い出しました。彼はスタインハルトに、そのような岩石は通常、特定の風化現象により、地球のコアとマントルの境界または地表近くの地下深くに形成されると語った. 「もちろん、そのすべてが間違った道でした」と 75 歳のホリスターは言いました。科学者が岩を研究すればするほど、奇妙に見えてきました。

5 年後、約 5,000 通の Steinhardt-Hollister の電子メールと、ロシア北東部の不毛の北極ツンドラへの危険な旅の後、謎は深まるばかりです。今日、スタインハルト、ホリスター、および 15 人の共同研究者が、長くありそうもない探偵小説の興味深い結果を報告しました。 Nature Communications 誌に詳述されている彼らの調査結果は、45 億年前の太陽系の新しい側面を明らかにしています。生まれたばかりの太陽を不可解に周回している不調和な金属の塊、異常な大きさの衝突、新しい鉱物の生成などです。これまで自然界で見られなかった物質の全クラス。それは、真に特異な岩石の地球化学に刻まれたドラマです。

「これは、私たちが完全に気づいていなかった初期の太陽系で起こったプロセスがあるように見えることを示しています」と、研究の共著者であり、ワシントン D.C. のスミソニアン研究所の上級地質学者である Glenn MacPherson は述べています。このかなり独特な謎を理解しようとしているかなりの数の人々の皮の下のバリ.」

2008 年にイタリアのフィレンツェにある地質学博物館の地下で、「ハティルカイト」とラベル付けされた箱の中に発見された標本は、実験室で作成されたが自然界では見られなかった特別な状態である準結晶の壮大なパッチを誇っていました。氷からダイヤモンドまで、宇宙のすべての結晶は 14 種類の対称性を示します。つまり、原子格子が回転、平行移動、または区別できない位置に反映される方法です。原子が正確に繰り返されることのない規則的なパターンで配置されている準結晶には、可能な対称性が無限にあります。 1982 年に合成物質が発見され、大いに物議をかもした (イスラエルの科学者ダン・シェヒトマンが嘲笑を受け、29 年後にノーベル化学賞を受賞した) まで、そのような物質の状態は不可能であると広く考えられていた。 2009 年になっても、それらは研究室で育てられた好奇心のままでした。フローレンス標本が自然界で形成された場合、これまでに発見された最初の天然の準結晶が含まれていることになります。これは、スタインハルトが 10 年間熱心に追求してきたことです。

標本を分析している間、ホリスターは、準結晶のまばゆいパターンに金属アルミニウムが含まれていることに気付きました。金属アルミニウムは、酸素と容易に結合して酸化アルミニウムを形成するため、地球上では決して自然には存在しない物質です。金属鉄も存在しますが、ほぼ同じくらいまれです。さらに奇妙なことに、岩には銅が含まれていました。人造合金でのまれな出会いを除いて、アルミニウムと銅は混ざりません。アルミニウムは酸素と結合して水に強いのに対し、銅は硫黄と結合し、水に溶けて洗い流されます。「ほとんどの既知のプロセスは、銅をアルミニウムから分離します」と Hollister 氏は述べています。「人間はこれらの要素を組み合わせることができますが、自然はそれらを分解します。」

トレントンの製鉄炉の近くで拾われ、彼のオフィスに供物のように届けられた多くの独特のナゲットのように、ホリスターはサンプルが金属工場が時々環境に放出する固形廃棄物であるスラグに違いないと考えました。それがアルミニウム精錬所から来たものだった場合、準結晶の存在はそれほど驚くべきことではありません. 30 年前の発見以来、100 種類以上の準結晶が実験室で鍛造されてきました。

スタインハルトは、ホリスターのスラグ評価に打ちのめされました。ルカ・ビンディはイタリアの鉱物学者で、有望なカティルカイトのサンプルをプリンストンに出荷する前に、フィレンツェ自然史博物館のコレクションの岩石を何年も分析していました。岩石が地球上で形成されなかったとしたら、宇宙ではどうだろうか?スタインハルトは、隕石を専門とするホリスター大学の元学生であるマクファーソンを訪ねました。しかし、マクファーソンは、サンプルが合成であるというホリスターの意見をすぐに支持しました.それは彼が今まで見たことのない隕石のようでした.

動揺しているが、まだ自然をあきらめる準備ができていないスタインハルトとビンディは、ホリスターの助けを借りて、次の数か月を費やして、穀物中の微量ミネラルを1つずつ分析し、それらを生み出した可能性のある工業プロセスを研究しました.彼らにとって喜ばしいことに、この岩は日を追うごとに人為的なものではなくなりました。珍しい、あるいは未知の鉱物の面白い島々が散らばっていて、それは明らかに極端で激動の条件下で合体していた.最後に、ある鉱物が科学者に答えを与えました。準結晶のパッチを取り囲んでいるのは、石英の超高圧形態であるスティショバイトでした。「これは、地球の表面にあるアルミニウム製錬所で作られるものではありません」とホリスターは言いました。スティショバイトは、マントルの奥深くか、宇宙空間への衝突の際にのみ形成された可能性があります。

新しいミネラル

静かな強さを放っている 61 歳の教授である Steinhardt は、準結晶が存在することが知られる前から、準結晶の背後にある理論を研究してきました。結晶は原子が空間内で特定の周波数で繰り返されるモチーフとして理解できるのに対し、準結晶は2つ以上の周波数を含み、それらの比率は2の平方根や黄金比のような無理数です。周波数の組み合わせが正確に繰り返されることはないため、原子のパターンも繰り返されません。スタインハルトはこの冬、プリンストンで、机の上に置いた準結晶のプラモデルを注意深く扱いながら、「それは空間の不調和のようなものです」と説明しました。不調和な音符が繰り返されるが非周期的な音の進行を作り出すように共謀するように、「似ているように見える原子の配列が見られるでしょう」と彼は言いました。こことあちらでは違う。」正確な繰り返しがないため、準結晶は可能な回転対称性を持つことができます。フローレンスの標本は、構造全体の向きを変えることなく 60 の異なる角度から見ることができる、サッカーボールのような原子配列である 20 面体の対称性を示しました。

準結晶が形成される理由は明らかではありません。「これらの原子がどのようにしてこのような複雑な構造を選択しているのかはわかりません」と、東北大学の材料科学者で、この問題を 25 年以上研究してきた An Pang Tsai 氏は述べています。 1980 年代にスタインハルトと彼の学生であり、現在はイスラエルのテクニオン大学の理論物理学者であるドブ・レヴィーンによって開発された 1 つのアイデアは、準結晶内の原子が最初に集まって五角形、十角形、または潜在的に無限の他の形状になる可能性があると考えています。これらのクラスターは、隣接するクラスターとどのように整列するかを管理する特定の規則 (ペンローズタイリングを管理する幾何学的規則に類似) に従っていることがわかります。別の理論では、準結晶はランダムに組み立てられます。原子は対称クラスターを形成し、それが任意の方法で配置されます。この理論が正しく、隣接するクラスターがどのように結合しなければならないかを決定する力がない場合、これは準結晶が完全に安定していないことを意味します。この「エントロピー」理論の開発に貢献したカーネギーメロン大学 (ペンシルバニア州ピッツバーグ) の物理学者 Michael Widom は、「時間の経過とともに分解するでしょう」と述べています。

スタインハルトと数人の同僚は、主にこの議論に動機付けられて、1999 年に天然の準結晶の探索を開始しました。そのような物体が発見されれば、鉱物の分類のリストが 230 (これら 14 の結晶対称性の可能な組み合わせの合計) から無限に拡大することになります。それは、未知の極限の圧力や冷却を含むエキゾチックな地質学的プロセスを示している可能性があります。そして最も重要なことは、準結晶は最終的に分解する原子のランダムな集合体ではなく、未知の原子間力によって形作られた物質の真の安定状態であるというスタインハルトの見解を支持することです. 「ポールにとって、この物質が地質学的な期間にわたって安定しているかどうかを知ることは非常に重要でした」とホリスターは言いました.

何年にもわたる検索の失敗が偽陽性で中断された後、フローレンス標本にスティショバイトが存在したことは立証を意味しました。岩石とそれに含まれる準結晶は天然のものであり、少なくとも一部の準結晶は、物理学者が研究していたよりもはるかに長い間安定したままであることが証明されました。ラボ。「印象的だったのは、それが完璧だったことです」と Steinhardt 氏は言います。「美しい、紛れもないパターン。」 2010 年、科学者たちが何ヶ月もかけて証拠を同僚に提示した後、国際鉱物学会はフローレンス準結晶 — Al₆₃ を受け入れました。 Cu₂₄ Fe₁₃ 、または二十面体 — 新しい鉱物として。

それでも、大きな疑問が残った、と Steinhardt は言った。彼はサンプルをカリフォルニア工科大学に送り、酸素の 3 つの同位体の比率を分析しました。案の定、この岩には隕石の酸素指紋があり、希少で古い種類の CV3 炭素質コンドライトもありました。 45 億年以上前の太陽誕生の時代からの唯一の遺物として、これらの隕石は「その時代と場所へのユニークな手がかりを私たちに提供し」、専門家にとって「特別な関心」である、と化学の教授である Peter Buseck は述べた。アリゾナ州立大学で。 1969 年にメキシコに落下したアジェンデ隕石と呼ばれる CV3 炭素質コンドライトは、歴史上最も研究された隕石と呼ばれることが多く、金属同位体を含んでいたことから、太陽を作り出したガスと塵の重力崩壊が地球からの衝撃波によって引き起こされた可能性があることが示唆されました。近くの超新星.

しかし、炭素質コンドライトの主要な専門家であるマクファーソンによると、フローレンスのサンプルは、準結晶の存在を割り引いても、科学的に知られていないものでした. 「これは、金属アルミニウムを含む唯一の隕石です」と彼は言いました。「私たちは 1 の統計を扱っています。」

何年にもわたるテストでサンプルが粉々になったので、その数でさえ状況を誇張していました. 「それがどのように形成されたかを理解するために、文脈を理解する必要がありました。それが大きな問題になったからです」と Hollister 氏は言います。「まず、それが自然かどうかが物議をかもしました。その後、明確な隕石の兆候を発見しましたが、問題は、それが宇宙空間でのプロセスについて何を教えてくれるのかということです。」

科学者たちはより多くの物質を必要としていたため、サンプルの経路を元に戻さなければなりませんでした。「どうやって岩が博物館にたどり着いたかを突き止めなければなりませんでした」とスタインハルトは言いました。「私たちが持っていたのは箱だけでした。」

秘密の秘密日記

博物館のアーカイブにある手紙によると、この箱はニコラス・クークークという名前のアムステルダムの収集家から大量に購入されたものでした。 3 年前のフィレンツェでの偶然の夕食までは、行き止まりのように思えました。 Bindi が準結晶の話で仲間を楽しませていると、テーブルにいた知人が、Koekoek という名前の年配の女性がアムステルダムの彼女の通りに住んでいたことを思い出しました。知人が家に帰ったとき、彼女は隣人に、彼女と同姓同名の宝石商について尋ねました。注目すべきことに、ニコラス・クークークは老婆の亡くなった夫でした。ビンディはアムステルダム行きの飛行機に飛び乗りました。

未亡人はカティルカイトについて何も知りませんでしたが、ビンディに夫の「秘密の日記」を見てもらうことを申し出ました。その中で、Koekoek は、1987 年にルーマニアを旅行中にティムという男性から鉱物を購入したと説明しました。しかし、ティムはどこで鉱物を入手したのでしょうか? 「私たちは彼を探すのに 6 週間を費やしましたが、ほんのわずかな手がかりさえ得られませんでした」と Steinhardt 氏は言います。「私はルカをこの女性に送り返し、彼女がルーマニア人のティムについて何か知っているかどうかを確認しました。彼女はしませんでした。しかし彼女は、夫が秘密の秘密の日記をつけていたことを明らかにしました。」

その日記は、Koekoek が、当時ロシアのサンクトペテルブルクにあるプラチナ研究所の所長であった Leonid Razin から鉱物を実際に購入したことを明らかにしました。それはビンディが認識した名前でした。 1985 年、Razin は、存在が知られているハティルカイトの他の唯一の本物の例を科学的に報告し、特徴付けました。「ホロタイプ」または世界標準は、極東ロシアのコリャーク山脈の近くで発見され、サンクトペテルブルクの博物館に保管されています。 .ホロタイプとフローレンス標本は一緒に発見されたようで、ラジンは前者を研究して後者を販売したようです。しかし、スタインハルトがラジンを追跡し、イスラエルの彼の新しい家に電話をかけたとき、ラジンはどのようにしてハティルカイトを手に入れたか覚えていないと言いました.

再び、トレイルは寒くなりました。アイデアから、スタインハルトは、ラジンがカティルカイトの発見を報告した 1985 年の論文に戻りました。最初の段落では、発見に関与したと思われる Valery Kryachko という名前の男性について言及しています。連絡先はスタインハルトに、クリャチコはおそらく追跡不可能な田舎の鉱山労働者であり、プラチナ研究所に代わって鉱物を選別しているときにハティルカイトを拾ったと語った.しかしその後まもなく、より多くの手がかりを求めてロシアの鉱物学雑誌をぼんやりと読んでいると、スタインハルトは 1995 年の別の論文の著者の中にクリャチコの名前を見つけました。

科学者たちはモスクワでクリャチコを発見しました。 60 代の熱心な鉱物学者である彼は、Google 翻訳を通じて、Kryachko が大学院に通っていた頃、Razin が実際に彼をプラチナの採掘に雇ったと説明しました。 1979 年、彼は最寄りの村から数百マイル離れたリストヴェニトヴィと呼ばれる目立たない小川にヘリコプターで降ろされ、青緑色の粘土を数日間掘りました。彼がパンした数百キログラムの粘土の中にプラチナは見つかりませんでしたが、Kryachko は彼が識別できなかったいくつかの光沢のある小さなナゲットを見つけました.彼はそれらを Razin に届けましたが、二度とそのことを聞くことはありませんでした.

驚くべきことに、Kryachko は地図上で川の正確な位置を特定できました。それはチュコトカと呼ばれる僻地を通り、サハラ西部よりも人口密度が低く、ホリスターが言うように「そこからサラ・ペイリンが見える」ほど東にある自治州です。チュクチの雪解けは年に 3 週間しかなく、その間はヘリコプターか特注のスノーキャットトラックでしかアクセスできません。陸軍の戦車に似たこれらの車両は、雪の上を踏んだり、密集した茂みを蒸気ローラーで通り抜けたり、川を渡ったりすることができます。「ほとんどの地質学者に聞いたことがあれば、誰もが過去に遡るものが見つかる可能性はわずかであり、それはおそらく野生のガチョウの追跡であったことに同意するでしょう」とスタインハルトは言いました。「一方で、ヴァレリーと一緒に行くしかチャンスはありませんでした。」

2011 年の夏、スタインハルト、マクファーソン、ビンディ、クリャチコを含む 13 人の乗組員が、僻地の鉱山の町アナディルから雪解けしたばかりのツンドラへと 2 頭のスノーキャットで出発しました。彼らが海綿状の起伏の多い地形をよろよろと横切っていくと、トラックは交替で故障し、スタインハルトは乗組員が小川で十分な時間を持てなくなるのではないかと心配した。長い 4 日間を経て、キャラバンはついにクリャチコが説明した場所に到着しました。コリャーク山脈のふもとにある奇妙な青緑色の粘土を流れる極寒の水です。マクファーソンは岩の候補を選別するためにその場しのぎの実験室を設置し、乗組員は交代で掘削とパンを行い、改良された AK-47 アサルトライフルを使用して、この地域を歩き回る巨大なヒグマからグループを保護しました。その最初の午後、ピカピカの岩の破片が Bindi の目に留まりました — 隕石の破片だと彼は確信しました.

10 日目までに、乗組員は 1 トン半の粘土をパンし、数キログラムの有望な穀物が得られました。科学者たちがキャンプを解体してトラックに荷物を積み込むと、空気が冷たくなるのを感じました。「翌日、私たちは山を越えてドライブしていて、振り返ると真っ白です」とスタインハルトは言いました。「文字通り、冬が来る前日に外出しました。」

フリークオブネイチャー

2011 年にプリンストン大学を退職し、チュクチから家にいる年齢を引き合いに出したホリスターは、宇宙の岩が彼のキャリアを予約したと言うのが好きです。彼は 1970 年代に、アポロの宇宙飛行士によって集められた月の岩石の分析を始めました。 2 年前、彼がチュコトカ遠征の最初の粒子を顕微鏡で観察したとき、何十年も前のアポロの岩石を思い出しました。スティショバイトが石英の高圧変種であるのと同じように、カンラン石と呼ばれるより一般的な鉱物の高圧変種である、鉄分が豊富なリングウッダイトでできた結晶脈がサンプルに忍び寄っていました。リングウッダイトは、大気圧の 500 万倍以上に相当する衝撃からのみ形成されます。これは、月が形成されたと考えられているイベントで、小惑星の衝突によって月の岩が地球から引き離されたときに経験した衝撃のようなものです。しかし今回は、リングウッダイトの存在は意味がありませんでした。炭素質コンドライトは穏やかに形成され、幼児の太陽の周りの軌道でますます多くの物質が集まり、ゆっくりと堆積しました. 「ショックの証拠がある炭素質コンドライトは見つかりません」とホリスター氏は言いました — 少なくとも、これほど極端な戦いの傷があることは決してありません.

初日にビンディが見つけた幸運な発見を含め、これまでにチュコトカの戦利品の中で確認された 9 つの隕石の粒には、天然の準結晶正二十面体、他の希少なアルミニウム銅合金、純アルミニウムの斑点など、ありそうもない物質の品揃えが含まれています。より一般的なニッケルと鉄の合金のリングウッダイトのなぞなぞ。ホリスター、マクファーソン、その他の科学者たちは、過去 2 年間を費やして、独特の調合のもっともらしい裏話に取り組んできました。「このようにして、これらの物質を調べ、それらが太陽系の歴史全体のより大きな物語にどのように適合するかをつなぎ合わせることにより、太陽系星雲の進化に関する理解を深めています」とスタインハルトは説明しました。

壮大な衝突が 20 面体と他の合金の形成を引き起こしたか、またはその後に衝突が起こったかのいずれかです。マクファーソンは、金属が最初に太陽系星雲で何らかの未知の方法で形成され、その後それらが組み込まれた小惑星が別の小惑星と衝突したときに衝撃を経験したという見解に傾いています。しかし、これは隕石を 2 倍に注目させるものであり、「私たちのほとんどは、偶然の一致を真に信じているわけではありません」と彼は認めています。

あるいは、衝撃が準結晶や他のアルミニウム-銅合金を発生させた可能性があります。これは、あたかも岩が突然崩壊したかのように、急速冷却の明確な兆候 (周囲の結晶から抽出されたアルミニウム金属のストリップなど) を示す理由も説明するかもしれません。宇宙に放り出された。しかし、そもそもアルミニウムと銅が鉄ニッケル合金の内部でどのように組み合わされたのかはまだ不明です. 「銅がまだ気体だったとき、アルミニウムは固体を形成していました」とマクファーソンは言いました。「だから、この準結晶は奇妙なものなのです。これまで認識できなかったものに目を向けさせてくれます。」

そして、今までにないアルミメタルの存在感。「初期の太陽系に金属アルミニウムがあったことを示唆する隕石は他にありません」と Hollister 氏は述べています。

一般に、この研究の著者は、宇宙の岩石の奇妙な物質の形成につながったプロセスとその意味を理解するには、さらなる分析が必要であると述べています。「準結晶はこのプロジェクト全体の大きな魅力ですが、実際にはもはやミステリーではありません。少なくとも私には。それが合金の形成方法です。」

スタインハルトとレバインが長い間主張してきたように、ツァイと他の人々による研究室での広範な研究は、20面体がランダムな分解凝集体ではなく、ほぼ確実に物質の安定状態であることを示しています.古代の例の発見により、証拠は今や圧倒的です. 「これらが安定しているという事実に感嘆符が追加されます」と Levine 氏は述べています。それでもなお、疑問が残ります:準結晶はなぜ安定なのですか?隣接するクラスターを一緒にロックする力は何ですか?その答えは「物理学の新しい全体像を与えるだろう」と蔡氏は述べ、それらは物質の他のほとんど理解されていない相の安定性に関係している可能性があると付け加えた.

Steinhardt は、科学者がその安定性について理解を深める可能性のある、おそらく実験室で見たことのない天然の準結晶の例を次にどこで探すべきかについてすでに考えています。「それは私の裏庭にあり、奇妙な構成のシリコンと酸素で構成されていた可能性があります」と彼は言いました. 「それはまだ私の裏庭に座っている可能性がありますが、私はそれを知りません。」