太陽系初期的原行星、即地球等行星的胚胎行星是在何時誕生、又是如何成長的？這個問題對思考太陽系的形成非常重要。衆所周知，大部分原行星都隨着碰撞等消失了，但位於火星和木星之間的小行星帶中的太陽系第二大小行星竈神星是爲數不多幸存下來的原行星。對來自竈神星的HED隕石羣進行研究發現，這個天體與很多其他小行星不同，現在依然保留着誕生之初的地殼、地函和金屬地核的分層結構，地殼厚度據估計約爲40km（圖1）。
圖1：（左）黎明號偵檢器拍攝的小行星竈神星（NASA）。（右）竈神星的内部結構推測。在隕石研究和利用黎明號探測後的模擬研究法中，估算的地殼厚度不同。
另外，竈神星的南半球存在着與竈神星的直徑（約525km）基本爲相同尺寸的巨大撞擊坑。2011～2012年利用黎明號偵檢器（NASA）進行觀測時，爲了觀察竈神星的内部結構，詳細調查了撞擊坑的内部。不過，沒有檢測出本應存在的地函物質，根據這個觀測結果進行模擬研究法，推算出竈神星的地殼厚度爲80km以上。但一直不清楚竈神星爲何擁有如此厚的地殼。
來自竈神星的另一個隕石羣是中鈷碳鐵隕石。中鈷碳鐵隕石與HED隕石不同，是由地殼物質和金屬地核構成的石鐵隕石，從其性質上來看，應該是在擁有分層結構的天體被大規模破壞時形成的。不過，如果這個隕石是在竈神星形成的，那麼就意味着竈神星經歷過一次大破壞，這與仍然保留着誕生之初的分層結構的理論相矛盾。因此，人們此前一直不太清楚中鈷碳鐵隕石在竈神星上是如何形成的。
本研究查明瞭中鈷碳鐵隕石在小行星竈神星上的形成程序，並研究了竈神星發生巨大碰撞的可能性，以前的研究沒有考慮過這一點。如果中鈷碳鐵隕石的母天體是竈神星，那麼竈神星應該發生過形成中鈷碳鐵隕石所需的大規模破壞，其終極因數就是巨大碰撞。另外，發生巨大碰撞的年代在中鈷碳鐵隕石和HED隕石中應該都有記錄痕跡。因此，研究小組此次試着高精度確定了中鈷碳鐵隕石的形成年代。
中鈷碳鐵隕石中存在非常微量的小礦產鋯石。鋯石是一種極爲穩定的礦產，適合使用鈾鉛測年法。近年來取得隊形變換的、利用表面電離型質譜儀的鈾鉛測年法（ID-TIMS法）能以超高精度確定鋯石的形成年代。本研究首次利用ID-TIMS法對5塊中鈷碳鐵隕石中所含的鋯石實施了超高精度測量。
根據確定的中鈷碳鐵隕石形成年代判明，其母天體在距今45.59±0.02億年前形成地殼後，在45.254±0.009億年前經歷了大規模破壞（巨大碰撞，圖2上）。另外，以前透過對HED隕石實施測年已經知道，竈神星的地殼形成於45.5億年前，在距今45.2～45.3億年前因爲某種終極因數被從外部重新加熱（圖2下）。中鈷碳鐵隕石母天體的地殼形成年代和發生巨大碰撞的年代與透過HED隕石瞭解到的竈神星的演化史基本吻合。包括年代在内，迄今爲止獲得的所有科學資料均與HED隕石一致，由此應答，中鈷碳鐵隕石的母天體與HED隕石一樣，都是竈神星。
圖2：中鈷碳鐵隕石及HED隕石的年代相關直方圖。（上）利用鈾鉛測年法對中鈷碳鐵隕石中所含的鋯石進行測年獲得的母天體演化史。（下）利用鈾鉛測年法對HED隕石（鈣長輝長無粒隕石）進行測年獲得的竈神星演化史。兩個隕石羣的地殼形成年代與重新加熱（巨大碰撞）的年代一致。
研究小組根據這個結果，研究了竈神星的幾種巨大碰撞模式。發現其中的碰撞逃逸型（Hit-and-Run）碰撞模式不僅能解釋中鈷碳鐵隕石的形成，還可以解釋竈神星南半球的超厚地殼的謎團（圖3）。
圖3：小行星竈神星的巨大碰撞模式
首先，小行星竈神星是帶着厚約40km的地殼誕生的。之後在45.25億年前與其他小行星發生碰撞，北半球的大部分遭到破壞。此時，除地殼和地函物質外，處於熔融狀態的金屬地核也有極少一部分飛向宇宙空間。這些物質大部分都無法擺脫竈神星的重力，在受碰撞影響相對較小的南半球厚厚地沉積物在一起。中鈷碳鐵隕石被認爲是在含金屬地核物質的碰撞壓碎物沉積物到南半球時，與地殼物質發生混合形成的。
最終，南半球的地函上形成了由地殼和碰撞壓碎物構成的厚80km以上的地層。黎明號偵檢器發現的異常厚的地殼就是這個由地殼與碰撞壓碎物形成的地層，也被認爲是45.25億年前的巨大碰撞導致竈神星的地層結構發生巨大變化的證據。
(日文全文)
文：JST客觀日本編輯部
