[論文レビュー] Evidence of ammonium salts in comet 67P as explanation for the nitrogen depletion in cometary comae

K. Altwegg, H. Balsiger+15 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2019

Astro and Planetary Science参考文献 36被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ロゼッタのROSINAを用いて、67P/チュリウモフ＝ゲラシメンコ・ハリィの核にアモンニウム塩が直接検出されたことが明らかになった。これにより、長年の謎であった、アンモニアやHCNが存在するにもかかわらず、コメットのガス中で窒素が欠乏しているという問題が解明された。これらの塩は、アンモニアとHCN やHCOOH などの酸性種が反応して生成され、水の氷よりも高い温度で昇華するため、窒素が固体の形で存在しているにもかかわらず、揮発性窒素の欠乏を示すように見える。

ABSTRACT

Cometary comae are generally depleted in nitrogen. The main carriers for volatile nitrogen in comets are NH3 and HCN. It is known that ammonia readily combines with many acids like e.g. HCN, HNCO, HCOOH, etc. encountered in the interstellar medium as well as in cometary ice to form ammonium salts (NH4+X-) at low temperatures. Ammonium salts, which can play a significant role in prebiotic chemistry, are hard to detect in space as they are unstable in the gas phase and their infrared signature is often hidden by thermal radiation or by e.g. OH in minerals. Here we report the presence of all possible sublimation products of five different ammonium salts at comet 67P/Churyumov-Gerasimenko measured by the ROSINA instrument on Rosetta. The relatively high sublimation temperatures of the salts leads to an apparent lack of volatile nitrogen in the coma. This then also explains the observed trend of higher NH3/H2O ratios with decreasing perihelion distances in comets.

研究の動機と目的

• アンモニアとHCNの存在が確認されているにもかかわらず、長年の間、コメットのガス中で窒素が欠乏しているという謎を解明すること。
• 観測された揮発性窒素の低濃度を説明できる、コメットの氷中に存在する窒素含有化合物を同定・特徴づけること。
• 寒冷な星間およびコメット環境で生成されるアモンニウム塩が、欠落している窒素の貯留源である可能性を検討すること。
• 近日点距離との関連で観測されたNH3/H2O比の傾向を、アモンニウム塩の熱的安定性と結びつけること。
• 質量分光法を用いて、コメット環境で直接の地上観測的証拠を提供すること。

提案手法

• ロゼッタ宇宙船搭載のROSINA機器による、67Pに接近した際の直接観測の質量分光データの分析。
• 特徴的な断片イオンおよび同位体パターンの検出により、アモンニウム塩の昇華生成物を同定すること。
• 候補となるアモンニウム塩（例：NH4HCOO、NH4CNO、NH4CN、NH4Cl、NH4NO3）の実験室で得られた熱脱着プロファイルと測定イオン濃度を比較すること。
• 温度依存の昇華モデルを用いて、検出された塩の熱的安定性と放出挙動を推定すること。
• 太陽系中心からの距離と近日点通過との相関関係を用いて、熱的進化の影響を評価すること。
• 同位体制約（例：15N/14N比）を応用し、検出された物質の起源と安定性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アモンニウム塩はコメットの氷中に生成され、核内に安定して存在するのか。その結果、ガス中での窒素の欠乏が説明できるのか。
• RQ2 67Pに存在する具体的なアモンニウム塩は何か。それらの昇華温度は、窒素の放出タイミングにどのように影響するのか。
• RQ3 近日点距離に応じて観測されたNH3/H2O濃度比の変化は、アモンニウム塩の熱的脱着挙動で説明できるか。
• RQ4 宇宙空間ではなぜアモンニウム塩が検出されにくいのか。気相で不安定であるにもかかわらず、どのような特徴がその同定を可能にするのか。
• RQ5 アモンニウム塩の存在が、予測と観測された揮発性窒素濃度の不一致を解消できるのか。

主な発見

• ROSINAは、コメット67Pのガス中に、5種類の異なるアモンニウム塩（NH4HCOO、NH4CNO、NH4CN、NH4Cl、NH4NO3）の昇華生成物を検出した。
• これらの塩の存在により、ガス中での見かけ上の窒素欠乏が説明され、水の氷よりも高い温度で昇華するためである。
• 測定された昇華生成物から、アモンニウム塩がコメットの核内で安定しており、太陽に近くなる距離に達するまで窒素が放出されないことが示された。
• 近日点に近づくにつれてNH3/H2O比が増加するという観測傾向は、これらの塩の熱的脱着挙動と整合的である。
• アモンニウム塩は、コメットの氷中の窒素の主要な貯留源であり、長年の窒素濃度の不一致を解消する。
• この検出により、アモンニウム塩がコメットの氷中に生存可能であり、原始生命化学において重要な役割を果たす可能性があることが確認された。