[論文レビュー] Earth's accretion inferred from iron isotopic anomalies of supernova nuclear statistical equilibrium origin

Timo Hopp, Nicolas Dauphas+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2021

Astro and Planetary Science参考文献 91被引用数 37

ひとこと要約

本研究では、23個の鉄隕石における高精度なFe同位体測定を用いて、超新星で発生する核統計平衡による54Feおよび58Niの核生成異常が、明確なNC-CC同位体二分法を定義していることを示した。地球のマントルは、NC隕石と同一のFe-Mo-Ru同位体相関上に位置しており、地球の構築塊が収束過程で著しく同位体的に変化しなかったこと、およびCIコンドライトが地球のFe予算に顕著に寄与していなかったことを示唆している。これは、Fe同位体組成が類似しているにもかかわらずである。

ABSTRACT

Nucleosynthetic Fe isotopic anomalies in meteorites may be used to reconstruct the early dynamical evolution of the solar system and to identify the origin and nature of the material that built planets. Using high-precision iron isotopic data of 23 iron meteorites from nine major chemical groups we show that all iron meteorites show the same fundamental dichotomy between non-carbonaceous (NC) and a carbonaceous (CC) meteorites previously observed for other elements. The Fe isotopic anomalies are predominantly produced by variation in 54Fe, where all CC iron meteorites are characterized by an excess in 54Fe relative to NC iron meteorites. This excess in 54Fe is accompanied by an excess in 58Ni observed in the same CC meteorite groups. Together, these overabundances of 54Fe and 58Ni are produced by nuclear statistical equilibrium either in type Ia supernovae or in the Si/S shell of core-collapse supernovae. The new Fe isotopic data reveal that Earth's mantle plots on or close to correlations defined by Fe, Mo, and Ru isotopic anomalies in iron meteorites, indicating that throughout Earth's accretion, the isotopic composition of its building blocks did not drastically change. While Earth's mantle has a similar Fe isotopic composition to CI chondrites, the latter are clearly distinct from Earth's mantle for other elements (e.g., Cr and Ni) whose delivery to Earth coincided with Fe. The fact that CI chondrites exhibit large Cr and Ni isotopic anomalies relative to Earth's mantle, therefore, demonstrates that CI chondrites are unlikely to have contributed significant Fe to Earth.

研究の動機と目的

• 鉄隕石に見られるFe同位体異常が核生成過程を反映しており、Mo や Ni など他の要素で観察されたNC-CC同位体二分法を保存しているかどうかを特定すること。
• 宇宙空間に滞在中の宇宙線（GCR）被曝が、核生成Fe同位体異常の定量的評価に悪影響を及えるかどうかを評価すること。
• 特に、地球のFeに寄与したCIコンドライトの寄与に関する矛盾する解釈を踏まえ、地球のマントルと隕石の集積体との同位体類似性を評価すること。

提案手法

• 化学的に精製されたFe溶液を用いたMC-ICP-MSを用いた、9つの化学的グループ（NCおよびCC）に属する23個の鉄隕石の高精度なFe同位体分析。
• GCR誘発同位体効果の補正に、GCR被曝モデルを用い、地上標準と比較した。
• 異なる核生成起源を持つMoおよびRu同位体異常とFe同位体異常を相関させ、元素間の共変動を評価した。
• 地球のマントルのFe同位体組成を隕石集積体およびコンドライトと比較し、収束歴史と物質源を推定した。
• 地上標準からの偏差を定量化し、核生成成分を特定するために、同位体異常表記（μ54Fe(7/6), ε100Ru(9/1), ε95Mo(8/6)）を用いた。
• 54Feおよび58Niの過剰が、タイプIaまたは核崩壊超新星のSi/Sシェルにおける核統計平衡に起因することを示す核生成異常モデルを適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 鉄隕石に見られるFe同位体異常は、Mo や Ni と同様に、他の要素で観察されたNC-CC同位体二分法を保存しているか？
• RQ2 GCR被曝効果を補正した後でも、核生成Fe同位体異常を信頼性高く定量できるか？
• RQ3 CC隕石に観察された54Feおよび58Ni同位体異常は、どのような恒星環境で生成されたか？
• RQ4 地球のマントルの同位体組成は、CIコンドライトと一致しているか、それともNC隕石と一致しているか？この結果は、地球の収束歴史に何を示唆するか？
• RQ5 CIコンドライトが地球のFe予算にどの程度寄与したか？同位体組成が地球のマントルと類似しているにもかかわらずである。

主な発見

• すべての鉄隕石は、Fe同位体において明確なNC-CC二分法を示しており、CC隕石はNC隕石と比較して54Feおよび58Niに過剰を示している。
• CC隕石に見られる54Feおよび58Niの過剰は、タイプIa超新星または核崩壊超新星のSi/Sシェルにおける核統計平衡による核生成が最も適切な説明である。
• 地球のマントルは、鉄隕石が定義するFe-Mo-Ru同位体異常相関線の上またはその近くに位置しており、収束の最後の約60％間、地球の構築塊の同位体安定性を示している。
• Fe同位体組成が類似しているにもかかわらず、CIコンドライトはCrおよびNiについて地球のマントルと同位体的に異常であり、CIに類似した物質からのFe寄与は否定的である。
• CIコンドライトと地球のマントルのFe同位体類似性は、遺伝的関連性ではなく、核生成成分の偶然的な重複によるものである可能性が高い。
• 地球のマントルの同位体組成は、NCに類似した物質の収束によって最も適切に説明され、Fe同位体組成に顕著な変化をもたらさない程度のCC物質の後期追加がわずかにあったと考えられる。