宇宙化学

宇宙化学（古代ギリシャ語の κόσμος ( kósmos )  「宇宙」とχημεία ( khēmeía )  「化学」に由来）または化学宇宙論は、宇宙の物質の化学組成とその組成をもたらしたプロセスを研究する学問です。^{[1]これは主に、}隕石やその他の物理的サンプルの化学組成の研究を通じて行われます。隕石の母天体が初期の太陽系星雲から凝縮した最初の固体物質の一部であったことを考えると、宇宙化学者は一般的に、しかし排他的ではないが、太陽系内に含まれる物体に関心を持っています。

1938年、スイスの鉱物学者ヴィクター・ゴールドシュミットとその同僚は、いくつかの地球と隕石のサンプルの分析に基づいて、彼らが「宇宙の存在量」と呼ぶリストをまとめました。^[2] ゴールドシュミットは、地球と大気の固有のプロセスにより、地球の岩石は相当量の化学変化を受けていると主張して、隕石の組成データを表に含めることを正当化しました。これは、地球の岩石だけを研究しても、宇宙の化学組成の正確な全体像が得られないことを意味していました。そのため、ゴールドシュミットは、より正確で堅牢なデータを生成するには、地球外物質も含める必要があると結論付けました。この研究は、現代の宇宙化学の基礎と考えられています。^[1]

1950年代から1960年代にかけて、宇宙化学は科学としてより受け入れられるようになりました。宇宙化学の父の一人として広く考えられているハロルド・ユーリー^[1]は、最終的に元素の起源と恒星の化学的存在量の理解につながる研究に従事しました。1956年、ユーリーと彼の同僚であるドイツ人科学者ハンス・ズエスは、隕石分析に基づく同位体を含む宇宙の存在量の表を初めて発表しました^{[3] 。}

1960年代を通じて分析機器、特に質量分析計が継続的に改良されたことで、宇宙化学者は隕石内の元素の同位体存在比の詳細な分析を行うことができるようになりました。1960年に、ジョン・レイノルズは隕石内の短寿命核種の分析を通じて、太陽系の元素は太陽系自体よりも前に形成されたことを突き止めました^[4]。これにより、初期太陽系のプロセスのタイムラインが確立され始めました。

隕石は、宇宙化学者が太陽系の化学的性質を研究するための最も重要なツールの1つです。多くの隕石は太陽系自体と同じくらい古い物質から来ており、科学者に初期の太陽系星雲の記録を提供します。^[1] 炭素質コンドライトは特に原始的です。つまり、45億6千万年前の形成以来、化学的性質の多くを保持しており、^[5]そのため宇宙化学研究の主要な焦点となっています。

最も原始的な隕石には、現在では太陽系自体よりも古いプレソーラー粒子であると認識されている少量の物質（0.1%未満）も含まれており、これは太陽系を形成する塵を供給した個々の超新星の残骸から直接派生したものです。これらの粒子は、太陽系とは異質な異質な化学組成（グラファイト、ダイヤモンド、炭化ケイ素のマトリックスなど）から認識できます。また、これらの粒子は、太陽系の他の部分（特に太陽）とは異なる同位体比を持つことが多く、互いに異なっており、さまざまな爆発性超新星イベントの発生源を示しています。隕石には、星間物質の非ガス状元素から集まった星間塵粒子も含まれている場合があります。これは、複合宇宙塵（「スターダスト」）の一種です。^[1]

地球上で発見された隕石の研究に基づくNASAの最近の研究結果によると、我々が知る生命の構成要素であるDNAとRNAの成分（アデニン、グアニンおよび関連する有機分子）は、地球外宇宙空間で形成された可能性があることが示唆されている。^{[6] [7] [8]}

2015年7月30日、科学者らは、フィラエ着陸船が67/P彗星 の表面に初めて着陸した際に、COSACとプトレマイオスの機器による測定で16種類の有機化合物が検出されたと報告した。そのうち4つは、アセトアミド、アセトン、メチルイソシアネート、プロピオンアルデヒドなど、彗星で初めて確認されたものである。^{[9] [10] [11]}

2004年、科学者たちは、赤い長方形の星雲が発する紫外線の中にアントラセンとピレンのスペクトル特性を検出したと報告した^[12]（宇宙空間でこのような複雑な分子がこれまで発見されたことはなかった）。この発見は、赤い長方形と同じタイプの星雲が寿命を迎えると、対流によって星雲の中心にある炭素と水素が恒星風に巻き込まれ、外側に放射されるという仮説を裏付けるものと考えられた^{[ 13]} 。原子は冷却するにつれて、さまざまな方法で互いに結合し、最終的には100万個以上の原子の粒子を形成すると考えられている。科学者たちは、地球上の初期の生命の形成に不可欠であった可能性のある多環芳香族炭化水素（PAH）を星雲で発見したので、必然的にそれらは星雲に由来するに違いないと推測した[12]。^[13]

2009年8月、NASAの科学者たちは、彗星の中で生命の基本的な化学構成要素の1つ（アミノ酸グリシン）を初めて特定しました。^[14]

2010年、星雲でフラーレン（または「バッキーボール」）が検出されました。^[15]フラーレンは生命の起源に関係していると考えられており、天文学者のレティツィア・スタンゲリーニによると、「宇宙からのバッキーボールが地球上の生命の種を提供した可能性があります。」^[16]

2011年8月、NASAは地球上で発見された隕石の研究に基づいて、私たちが知る生命の構成要素であるDNAとRNAの成分（アデニン、グアニンおよび関連する有機分子）が、地球外宇宙で形成された可能性があることを示唆した。^{[6] [7] [8]}

2011年10月、科学者たちは宇宙塵に複雑な有機物（「芳香族と脂肪族の混合構造を持つ非晶質有機固体」）が含まれており、星によって自然に急速に生成される可能性があると報告した。^{[17] [18] [19]}

2012年8月29日、コペンハーゲン大学の天文学者は、遠方の恒星系で特定の糖分子、グリコールアルデヒドを検出したと報告した。この分子は、地球から400光年離れた原始星連星IRAS 16293-2422の周囲で発見された。 ^{[20] [21]グリコールアルデヒドは、} DNAと機能的に類似したリボ核酸、つまりRNAの形成に必要である。この発見は、複雑な有機分子が惑星の形成前に恒星系で形成され、最終的には形成初期の若い惑星に到達する可能性があることを示唆している。^[22]

2012年9月、NASAの科学者らは、多環芳香族炭化水素（PAH）が星間物質（ISM）条件にさらされると、水素化、酸素化、水酸化を経て、より複雑な有機物に変換され、「それぞれタンパク質とDNAの原料であるアミノ酸とヌクレオチドへの道に沿った一歩」となると報告した。^{[23] [24]}さらに、これらの変換の結果、PAHは分光学的特徴を失い、それが「星間氷粒、特に冷たく濃い雲の外側領域や原始惑星系円盤の上部分子層でPAHが検出されない理由の1つである可能性がある」。^{[23] [24]}

2013年、アタカマ大型ミリ波干渉計（ALMAプロジェクト）は、研究者らが星間空間（ISM）の氷粒子の中に重要な一対の生命誕生前駆分子を発見したことを確認した。ISMの地球から約25,000光年離れた巨大なガス雲で発見された化学物質は、DNAの主要成分の前駆体である可能性があり、もう1つは重要なアミノ酸の形成に関与している可能性がある。研究者らは、DNAのはしご状構造の「横木」を形成する4つの核酸塩基の1つであるアデニンを生成するシアノメタニミンと呼ばれる分子を発見した。もう1つのエタナミンと呼ばれる分子は、遺伝暗号の20種類のアミノ酸の1つであるアラニンの形成に関与していると考えられている。これまで科学者らは、このようなプロセスは星間の非常に希薄なガスの中で起こると考えていた。しかし、新たな発見は、これらの分子の化学形成シーケンスがガス中ではなく、星間空間の氷粒の表面で起こったことを示唆している。^[25] NASAアルマ望遠鏡の科学者アンソニー・レミジャンは、これらの分子が星間ガス雲で発見されたことは、DNAやアミノ酸の重要な構成要素が、新たに形成された惑星に生命の化学的前駆物質を「植え付ける」ことができることを意味すると述べた。^[26]

2014年1月、NASAは、火星探査車キュリオシティとオポチュニティによる現在の研究では、独立栄養性、化学栄養性、および/または化学合成無機栄養性の微生物に基づく生物圏を含む古代生命の証拠、および居住可能であった可能性のある河川湖沼環境（古代の川や湖に関連する平原）を含む古代の水の探索が行われると発表しました。^{[27] [28] [29] [30]}火星での居住可能性、化石に関連する化石、および有機炭素の証拠の探索は現在、 NASAの主な目的です。^[27]

2014年2月、NASAは宇宙の多環芳香族炭化水素（PAH）を追跡するためのデータベースを大幅にアップグレードしたと発表した。科学者によると、宇宙の炭素の20％以上がPAHに関連している可能性があり、これは生命形成の出発物質である可能性がある。PAHはビッグバンの直後に形成されたようで、宇宙全体に広がっており、新しい恒星や太陽系外惑星に関連している。^[31]

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