[P-PS10] [JJ] 太陽系における惑星物質の形成と進化

[PPS10-05] レーザー衝撃圧縮とX線自由電子レーザー回折によるフォルステライト単結晶の超高速高圧構造相転移観察

*奥地 拓生¹、Purevjav Narangoo¹、尾崎 典雅²、瀬戸 雄介³、丹下 慶範⁴、関根 利守⁵、松岡 健之⁶、高橋 謙次郎⁶、犬伏 雄一⁴、矢橋 牧名⁷、田中 和夫²、兒玉 了祐^2,6 (1.岡山大学惑星物質研究所、2.大阪大学大学院工学研究科、3.神戸大学大学院理学研究科、4.高輝度光科学研究センター、5.広島大学大学院理学研究科、6.大阪大学光科学センター、7.理化学研究所放射光科学総合研究センター)

キーワード：フォルステライト、リングウッダイト、X線自由電子レーザー、レーザー衝撃圧縮、高速度衝突

太陽系を構成する惑星や衛星の形成の際には、天体間の衝突現象が重要な役割を果たしてきた。このような衝突現象においては、衝突した物質は、衝突の速度に応じて衝撃圧縮される。太陽系内の宇宙空間に残存する隕石の一部には、このような衝撃圧縮によって発生した動的な高圧力の下で、構造相転移を経て生成した高密度の結晶構造が、準安定状態のまま凍結されている場合がある。その代表例が、地球型惑星の主構成鉱物であるカンラン石（斜方晶系）の高圧相の一つであり、カンラン石よりも約11%高い密度を持つ、リングウッダイト（立方晶系）である。リングウッダイトは静水圧力下では18GPa以上で安定な構造であるが、これまでに動的な高圧力条件下で合成された例はない。よって隕石中にいま存在しているリングウッダイトの形成の条件は全く不明である。このリングウッダイトの形成に至る過程を実験的に再現することができれば、天体衝突現象の規模や時間スケールを定量的に評価するための道を開くことができる。
我々は、兵庫県西播磨に設置されたX線自由電子レーザー施設・SACLAにおいて、パワーレーザーで衝撃圧縮した試料の構造を表すX線回折パターンを、高時間分解能で取得する実験を進めている。この手法により、衝撃圧縮された結晶の構造と圧力を、ピコ～フェムト秒の時間分解能で観察することができる。そこで隕石に含まれるリングウッダイトの産状を考慮しつつ、衝撃圧縮されたフォルステライト（Mg₂SiO₄組成のカンラン石）の単結晶が相転移に至るまでの過程を時間分解して観察した。特定の方位に切り出した厚さ50μmの結晶薄板に100方向からパワーレーザーを照射して、発生させた衝撃波を伝播させつつ、X線回折パターンの形状および強度の変化を計測した。レーザーのパルス長は4ナノ秒であり、その照射とXFEL照射の間の遅延時間は、衝撃波が伝播を開始する4ナノ秒から、圧縮及びその後の膨張がほぼ終了する12ナノ秒までの間で、2ナノ秒間隔に設定した。XFELのエネルギーは10 KeVとした。X線の吸収長が200μm程度であることから、厚さ50μmの結晶の内部をすべて一緒に観察している。粗い時間分解能における予察的な結果ではあるが、以上の実験により、フォルステライト単結晶内を進む衝撃波の伝播を計測するとともに、結晶構造と発生圧力の時間変化を捉えることに初めて成功した。結果はナノ秒以下の短い時間スケールにおけるリングウッダイト構造への相転移の発生を充分に示唆するものであった。