太陽系は、常に宇宙空間を移動しながら銀河の中心を回っている。恒星と恒星の間にある星間空間には、水素を主成分とする星間ガスや、超新星爆発で生成されて散らばった炭素・鉄・マグネシウムなどの塵が浮遊している。わたしたちの住む地球は太陽系とともに、それらの星間ガスや塵に満ちた星間雲のなかを旅している。

その宇宙由来の塵の成分が、思いもよらない場所で発見された。地球上で最も寒冷な場所のひとつ、南極だ。

宇宙由来の鉄の同位体の存在

太平洋の海底にある堆積物の化石には、かねて「60Fe」と呼ばれる鉄の希少同位体が含まれていることを科学者たちは発見していた。なお、地球で最も一般的な鉄の元素は「56Fe」である。

“地球産”の鉄より中性子が4つ多い珍しい60Feは、通常は超新星爆発と呼ばれる巨大な星の死により生成される。分析の結果、深海の地層で長らく眠っていた60Feは、約200万年前に宇宙のどこかから降り注いだ可能性が高いことが示唆されていた。

では、この宇宙由来の鉄希少同位体は、現在も地球に降り注いでいるのだろうか？

宇宙由来の鉱物のなかには、流れ星としてドラマティックに地球にたどり着く隕石のほかに、人知れず地球に降りかかるほこりのような小さな粒子がある。論文によると、地球に降り注ぐ宇宙塵の量は、年間数千トンから数万トンほど。その粒子のほとんどは太陽系内の小惑星や彗星の表面から放出された塵だが、太陽系に存在する物質は何十億年も昔に同じ成分で構成されたため、基本的にその成分は地球のものと同じである。ところが、わずかな割合は遠くの星に由来するという。

しかし、さまざまな種類の粒子で溢れた地球上で、それらを特定するのは至難の業である。そこでミュンヘン工科大学物理学科の大学院生ドミニク・コールは、南極に目を向けた。地球上でも極寒の地のひとつである南極の表面は手つかずの雪で覆われていて、隕石などの宇宙由来の飛来物を特定しやすく、保存状態もいいからだ。

研究チームは、南極の表面で過去20年以内に降り積もった雪500kgを集めて溶かし、固形物をろ過した。そして、このサンプルをフィルターで取り出せた2ミクロン（0.002mm）以上とそれ以下のふたつに分け、超高感度質量分析計を使用して宇宙由来の鉄同位体を抽出した。

南極の雪に蓄えられていた“星くず”

「わたしたちの分析では、この鉄の由来として宇宙線、核兵器実験、そして原子力事故の可能性を除外することができました」と、コールは説明する。彼らは2011年に起きた福島第一原発の事故などによって、どれだけの60Feが生成されるのかを推定し、それはごくわずかな量であることを突き止めた。さらには宇宙線が塵や隕石と相互作用する際に生成される60Feの寄与も、計算によりサンプルから除外することに成功した。

残ったのは、彼らが予想した数百倍の60Feで、それは約72,000個もの原子の数だった。500kgの雪からするとほんのわずかな量にすぎないが、太陽系内または地球で生成されたものの量を大きく上回る量であり、宇宙由来の鉄同位体を確信させるものだった。

「地球上にこの放射性同位体の自然源がないため、60Feは超新星由来だったに違いありません」と、コールは言う。分析された雪の層は20年以上経っていない。60Feの半減期は約262万年のため、地球の誕生とともに蓄えられていた60Feはとっくに崩壊してしまっている。ならば、現在太陽系が位置している空間にその秘密があるはずだ。

星間空間からやってくるスターダスト

恒星は死を迎えるまでにさまざまな粒子を放出する。星が若いころは、核融合で炭素、窒素、酸素などの軽い元素を放出し、老いると鉄（56Fe）までのより重い金属を生成する。60Feなどの鉄同位体や、それより重い金属は、太陽の数十倍の質量をもつ恒星の超新星爆発で生成され、放出されると考えられている。こうしてできたのが、星間ガスと星間塵を含む星間雲だ。つまり、南極で発見された60Feは、太陽系の外で生成された可能性が極めて高いのである。

「わたしたちの太陽系は、だいたい4万年前に星間雲のひとつに突入しました。数千年後には脱出します」と、かつて海底の堆積物から60Feを発見したチームのひとりであるガンサー・コルシネク博士は言う。彼こそが、星の爆発の名残りは手つかずの南極の雪にあるだろうと仮説を立てた人物だ。「もし“星間雲仮説”が正しければ、4万年前よりも古い氷には60Feは含まれていないはずです」

南極での60Feの発見は、星の死が長期にわたって周囲の環境に影響を及ぼすことを示唆している。さらに古い氷や地層を研究することで、太陽系の星間雲への移行を検証できるようになるだろう。こうした知見は、太陽系が現在移動している環境に関する情報を提供するかたわら、生命の起源についての理解にも役立てられるかもしれない。

巨大な星の死により散らばった、生命の元となる塵やガス。これらは星間雲を通り過ぎる星や惑星に影響を及ぼすのだろうか？ 今回の研究では60Feに焦点が置かれたが、宇宙由来の物質は鉄だけにとどまらない。60Fe特定に至った一連のプロセスは「Physical Review Letters」で発表されている。多くの物質を含む星くずは、いまもなお地球に降り注いでいるのだ。