Laboratory experiments and telescope observations: Implications for geochemical environments of Europa ( 氷衛星エウロパの表層物質環境の理解に向けた室内実験望遠鏡観測研究 ) S. Tan 12

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しょうりひめい
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1 Laboratory experiments and telescope observations: Implications for geochemical environments of Europa ( 氷衛星エウロパの表層物質環境の理解に向けた室内実験望遠鏡観測研究 ) S. Tan 12, Y. Sekine 1, M. Kuzuhara 3, H. Kurokawa 1 1 Earth-Life Science Institute, Tokyo Institute of Technology, 2 Department of Earth and Planetary Science, The University of Tokyo, 3 Astrobiology Center Europa, the Jupitar s icy satellite, has been found to possess an interior ocean beneath its icy crust. Europa s surface has been recently observed in the wavelength range μm with large ground-based telescopes. Those observed reflectance spectra suggest that Cl-bearing salts exist on Europa s geologically active chaos terrains. Those salts would reflect the chemical composition of the interior ocean. Moreover, the abundance and grain size of Cl-bearing salts would provide constraints on the formation mechanism of chaos terrains. However, those chemical composition of Cl-bearing salts on the surface are not well constrained due to the limitation in existing observation wavelengths. In addition, spectra of Cl-bearing salts would be changed due to irradiation by high-energy particles on Europa s surface. Those spectra of irradiated Cl-bearing salts on the surface are not well constrained due to the lack of laboratory experiments. Here, we observed Europa s surface in the wavelength range μm using the Subaru telescope/ircs and adaptive optics AO188 with high spectral resolution and high signal-to-noise ratios. Our observed spectra show no significant absorption features at ~1.2 μm due to hydrated salts (e.g., NaCl 2H 2 O, MgCl 2 nh 2 O, Mg(ClO 3 ) 2 6H 2 O, Mg(ClO 4 ) 2 6H 2 O), suggesting that surface salts would be likely anhydrous sodium chloride (NaCl). We also performed irradiation experiments on NaCl by 10-keV electrons to obtain the optical constants of irradiated NaCl in near-infrared wavelengths. To constrain grain size and abundance of irradiated NaCl on Europa s surface, we performed spectral model fitting of the observational data using the obtained optical constants. Our results of the spectral fitting show the non-irradiated NaCl cannot reproduce dark reflectance well in wavelength of μm. On the other hand, irradiated NaCl greatly improves the fitting because irradiated NaCl has a red slope in the relevant wavelength range. The best fit of the observations suggests that the abundance and grain size of irradiated NaCl are 40 50% and > a few μm, respectively. Those high abundance and large grain size of NaCl on Europa s surface can be explained if subsurface brine reservoirs were frozen slowly within the icy crust, and subsequently slurry brines containing NaCl-particles erupted to the surface.

2 氷衛星エウロパの表層物質環境の理解に向けた室内実験望遠鏡観測研究 * 丹秀也 12, 関根康人 1, 葛原昌幸 3, 黒川宏之 1 1 東工大 ELSI, 2 東大地惑専攻, 3 アストロバイオロジーセンター 2020/02/18 第 22 回惑星圏研究会 02-05

3 エウロパ木星の潮汐 ( 潮汐加熱 ) 内部海が存在か ( 磁場自転運動 ; e.g., Kivelson et al., 2000) 2000 年頃の Galileo 探査以降大型探査なし生命存在可能性今後の太陽系内探査の主要ターゲットの一つ (JUICE, Europa Clipper) (Images by NASA JPL)

4 エウロパ内部海の化学的状態生命存在可能性の議論に必要な情報内部由来の表面物質内部からの物質移動表面での組成スペクトル変化 (e.g., Hand et al., 2015) 将来の探査に向けた表面観測室内実験組成?pH? 海底岩石成分の溶出 (e.g., Zolotov et al., 2009; Tan et al., Icarus) (Image by NASA JPL)

反射率 (offset) 内部由来の可能性の物質内部に由来する可能性の物質カオス地形 : 割れ目状の領域 2.

, 2014) NaCl 無水塩 : 平坦 H 2 O ice Cl 塩の組成候補 : Na, Mg

, 2015; Ligier et al., 2016) 0% Fischer et al.

0 水和水の吸収 MgCl 2 6H 2 O MgCl 2 4H 2 O Mg(ClO 3 ) 2 6H 2 O

5 反射率 (offset) 内部由来の可能性の物質内部に由来する可能性の物質カオス地形 : 割れ目状の領域 (from Hanley et al., 2014) NaCl 無水塩 : 平坦 H 2 O ice Cl 塩の組成候補 : Na, Mg の塩 (e.g., Hanley et al., 2014; Fischer et al., 2015; Ligier et al., 2016) 0% Fischer et al., 2015) Cl 塩 ~20 40% 含有量 100% 水和水の吸収 MgCl 2 6H 2 O MgCl 2 4H 2 O Mg(ClO 3 ) 2 6H 2 O Mg(ClO 4 ) 2 6H 2 O 20 km 融解移動の後に再凍結内部海由来の液体関与? 0.5 望遠鏡観測 (Ligier et al., 2016) 限られた波長域の観測データ : 組成含有量は諸説探査機観測 (McCord et al., 1999)

反射率 ( 相対値 ) 反射率表面物質への外部からの影響木星磁場で加速された高エネルギー粒子 ( 電子など ) S + 由来の硫酸 (H 2 SO 4 ) の蓄積 NaCl の赤化 ( 色中心の形成 )(e.g., Hand et al., 2015) (Hand et al., 2015) 1.0 カオス地形の可視反射スペクトル 0.8 1.0 0.6 0.6 0.6 0.2 (e.g., Dalton et al.

6 反射率 ( 相対値 ) 反射率表面物質への外部からの影響木星磁場で加速された高エネルギー粒子 ( 電子など ) S + 由来の硫酸 (H 2 SO 4 ) の蓄積 NaCl の赤化 ( 色中心の形成 )(e.g., Hand et al., 2015) (Hand et al., 2015) 1.0 カオス地形の可視反射スペクトル (e.g., Dalton et al.,2013 ) 赤化したNaClの存在の証拠か (Trumbo et al., 2019) (e.g., Paranicas et al., 2009) 未照射 NaCl kev 電子照射後のNaCl (Hand et al., 2015) 観測実験研究不足 : 広い波長範囲での対応粒径の効果不明?

7 エウロパ表層物質環境の不明点目的 :Cl 塩の物理化学性質の制約観測データ, 室内実験データを用いたスペクトルモデル内部由来 Cl 塩の主成分 :? (e.g., NaCl, NaClO 4 2H 2 O, MgCl 2 nh 2 O, Mg(ClO 4 ) 2 6H 2 O) 塩含有量 :?% 塩粒径 :? μm 内部海組成内部 - 表面の物質移動

0 nm) 短波のため技術的難易度高 Cl 水和塩の吸収が存在 (~1.2 μm) 2 1.5 1.83 μm (δλ~ 0.

8 すばる望遠鏡によるエウロパ観測観測日 : 2019/05/17 18 の 2 夜 Proposal ID: S19A0119 (PI: 丹 ) 東西にエウロパを横切るスリット配置 IRCS (IR スリット分光撮像 ) w/ao μm (δλ~1.0 nm) 短波のため技術的難易度高 Cl 水和塩の吸収が存在 (~1.2 μm) μm (δλ~ 0.9 nm) 空間分解能 : ~ km ( 東西 ) ~800 km ( 南北 ) カオス地形に注目可能 1 つのスリット上で 7 つの領域に分割

観測されたエウロパのスペクトル反射率典型的スペクトル : 公転前面中心付近のカオス地形 1.0 0.8 0.6 0.2 ~1.

9 観測されたエウロパのスペクトル反射率典型的スペクトル : 公転前面中心付近のカオス地形 ~1.2 μm 4,9 4,10 4,11 水和塩の吸収ピークは明瞭には見えず 4,12 (MgCl 2 nh 2 Oなど ) H 2 O ice 111±25 W, 38±16 S ,13 4,14 4,15 H 2 O ice H 2 O ice 先行望遠鏡研究で観測の範囲 (e.g., Ligier et al., 2016) (Tan et al., in prep. a)

反射率 ( 塩については offset) Cl 水和塩の量の評価 Subaru/IRCS の性能分解能 : 0.001 μm SN 比 : 300 500 程度すばるデータの SN 比の 1σ~0.002 水和塩の含有量 < ~3 10% 0.6 0.5 すばるの波長分解能での比較 111±25 W, 38±16 S H 2 O ice の吸収 0.

10 反射率 ( 塩については offset) Cl 水和塩の量の評価 Subaru/IRCS の性能分解能 : μm SN 比 : 程度すばるデータの SN 比の 1σ~0.002 水和塩の含有量 < ~3 10% すばるの波長分解能での比較 111±25 W, 38±16 S H 2 O ice の吸収 NaClO 4 2H 2 O: 3% NaCl 2H 2 O: 10% Mg(ClO 4 ) 2 6H 2 O: 3% Mg(ClO 3 ) 2 6H 2 O: 5% MgCl 2 6H 2 O: 3% MgCl 2 4H 2 O: 3% 公転前面カオス付近 (Tan et al., in prep. a)

11 反射率 ( 塩については offset) Cl 水和塩の量の評価 Subaru/IRCS の性能分解能 : μm SN 比 : 程度すばるデータの SN 比の 1σ~0.002 水和塩の含有量 < ~3 10% すばるの波長分解能での比較 Cl 水和塩 <~10% NaClO 4 2H 2 O: 3% NaCl 2H 2 O: 10% Mg(ClO 4 ) 2 6H 2 O: 3% Mg(ClO 3 ) 2 6H 2 O: 5% MgCl 2 6H 2 O: 3% MgCl 2 4H 2 O: 3% 先行研究の Cl 塩 ~20 40% (e.g., Ligier et al., 2016) 水和塩は主でない主成分は無水塩 = NaCl Mg 含有塩はminor すばるデータの μmでの 0.00 近似直線からのずれ (111±25 W, 38±16 S) (H 2 O iceの吸収による変動ができる限り小さくノイズの効果をみれる波長範囲 ) (Tan et al., in prep. a)

12 透過率電子照射後の NaCl の光学定数取得粒径ごとの反射スペクトル計算光学定数が必要 (n, k; 複素屈折率 m=n+ik) 透過スペクトルから計算 3 時間照射後のNaClの透過スペクトル短波長ほど急なスロープ色中心 (e.g., Hand et al., 2015) 本研究エウロパ観測領域 * 照射前 NaCl の透過スペクトルで除算 (Tan et al., in prep. b) k n μm d=1 μm k = λ 1 4π d ln(t) * 層厚 d~1 2 μmと仮定 (10 kev 電子のNaClへの透過深度, NIST ESTARより算出 ) 2 μm d=1 μm Kramers-Kronig の関係式 (Dalton et al., 2012)

13 反射率観測反射スペクトルへのフィッティング観測スペクトルに対する線形合成スペクトル計算各成分のスペクトル計算 ( 粒子層の多重散乱吸収, Hapke et al., 1981; 1993; 2002) H 2 O ice + H 2 SO 4 + 電子照射後の NaCl 粒径の設定 H 2 O ice, H 2 SO 4 : μm 電子照射後の NaCl: μm フィッティング対象 1. すばるデータ ( 本研究 ) 2. Galileo 探査機データ (McCord et al., 1999) 電子照射された NaCl の粒径ごとに各成分の含有量を計算 H 2 SO 4 (100 μm) Galileo データすばるデータ 10 μm H 2 O ice (100 μm) 未照射 NaCl 照射 NaCl 0.1 μm 1 μm

14 反射率 (offset) 反射率電子照射した NaCl のフィット上の効果電子未照射 NaCl Galileo データ 195±65 W, 0±35 N H (Hanley et al., 2014) 2 O ice: 70% H 2 SO 4 : 30% 未照射 NaCl: 15% R 2 = (RMSE=0.0438) H O ice: 93% H 2 SO 4 : 2% すばるデータ未照射 NaCl: 5% R 2 = 3.49 (RMSE=0.0591) すばるデータ (~120 W, 111±25 W, ~40 S) 38±16 S H 2 SO 4 (100 μm) Galileoデータ 0.2 すばるデータ未照射 NaCl H 2 O ice (100 μm) 未照射の NaCl: 反射率がほぼ 1 slope がない μm の暗い反射率が再現できず (Tan et al., in prep. b)

15 反射率反射率 (offset) 電子照射した NaCl のフィット上の効果 H 2 SO 4 (100 μm) Galileo データすばるデータ 10 μm H 2 O ice (100 μm) 未照射 NaCl 照射 NaCl 0.1 μm 1 μm 電子照射 NaCl (20 μm) Galileo データ 195±65 W, 0±35 N すばるデータ H 2 O ice: 23% H 2 SO 4 : 32% 照射 NaCl: 45% R 2 = (RMSE= ) H 2 O ice: 29% H 2 SO 4 : 18% 照射 NaCl: 53% R 2 = (RMSE= ) 111±25 W, 38±16 S 電子照射後の NaCl: 暗く左下がりのスロープ μm の暗い反射率の再現に必要 (Tan et al., in prep. b)

16 フィット残差 RMSE ( 10-2 ) 含有量 (%) フィット残差 RMSE ( 10-2 ) 含有量 (%) フィット結果の NaCl 粒径依存性公転後面東 - 公転前面西の傾向 (Tan et al., in prep. b) 100 すばるデータ 111±25 W, 38±16 S 100 Galileo データ 195±65 W, 0±35 N H 2 O ice 照射 NaCl H 2 SO 4 NaCl 含有 ~40 50% ( 粒径 >a few μm でほぼ変化なし ) H 2 O ice H 2 SO 4 照射 NaCl 粒径が小さいほど残差大電子照射されたNaClの粒径 (μm) 電子照射されたNaClの粒径 (μm) 二つのデータで共通して粒径 < a few μm では残差が大

, 2011) Na + >> Mg 2+ の海洋中 ~ アルカリ性の ph か (e.g., Tan et al.

17 内部海組成内部 - 表面間の Cl 塩移動メカニズムの推測 NaCl が内部由来 Cl 塩の主成分 H 2 O 昇華大きい粒径 (> a few μm) ゆるやかな結晶成長に由来か氷地殻内に低温の湖? (Schmidt et al., 2011) Na + >> Mg 2+ の海洋中 ~ アルカリ性の ph か (e.g., Tan et al., 2021, Icarus) 高い含有量 (40 50%) 海水 (~1%) から濃縮か 1. 低温で濃縮 ( 共融点組成 ~10%) 2. 表面での氷の昇華で濃縮 ( 最大 ~10 倍 ) (Hobley et al., 2018)

, 2016) Europa Clipper 着陸サイトの候補選定着陸探査 (Europa

18 将来の観測への適用 JWST 表面反射スペクトルの解釈 NaCl 光学定数を用いたスペクトル解析 NaCl 分布, [Na + ]/[Mg 2+ ] の分析 (Blaney et al., 2019; Langevin et al., 2013; Birkmann et al., 2016) Europa Clipper 着陸サイトの候補選定着陸探査 (Europa Lander) でのその場分析表面 NaClの粒径量氷地殻内の湖の制約 (Lerman, 2018) より詳細な内部由来物質の組成 Europa Lander (Images: NASA/JPL)

19 本発表まとめエウロパ表面の内部由来 Cl 塩の組成, 含有量, 粒径の制約近赤外反射スペクトル観則 Cl 塩の主成分は無水塩 = NaCl か電子照射 NaCl の光学定数を用いたスペクトルモデリング電子照射 NaCl は ~1.2 μm の暗いスペクトル再現に必要 NaCl の粒径 > a few μm, 含有量 ~40 50% Na >> Mg の内部海か NaCl は氷地殻内の湖を経由か将来探査に向けたデータとして利用できる可能性

年次大会原稿最終.PDF

年次大会原稿最終.PDF Structural Analysis of Coating Layer Containing Plastic Pigments Yoko Saito, Hideki Touda, Junji Kasai ZEON Corporation Hitomi Hamada, Toshiharu Enomae, Fumihiko Onabe The University of Tokyo Recently,

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