鉄の隕石を切って磨くと、なぜ網目のような模様が出てくるの？
― 100万年に100℃という、地上ではまねできない遅さで冷えた跡です
鉄の隕石の断面には、斜めに交わる帯の模様が隠れています。この模様は、地球の上では作れないとされています。必要なのは、特別な材料ではありません。数百万年という「待ち時間」です。
科学館の隕石コーナーに、平らに切られた金属のかたまりが置いてあります。表面には、細い線と幅の広い帯が、何方向にも斜めに交わっています。まるで、格子の窓を重ねたような模様です。
説明板には「鉄隕石の断面。酸で洗うと模様が出る」とだけ書いてあります。誰かが彫ったのではありません。金属そのものの中に、最初からこの模様があったのです。
台所の鉄のフライパンを切っても、こんな模様は出てきません。同じ鉄なのに、なぜ宇宙から来た鉄にだけ模様があるのでしょうか。
模様ができる理由は、2つの「遅さ」です
鉄の隕石は、昔の小惑星の中心にあった金属の核のかけらです。まわりを厚い岩が包み、熱は宇宙へ少しずつしか逃げられませんでした。
冷えていく途中で、鉄とニッケルが2種類の金属に分かれます。ニッケルの原子が固い金属の中を移動するには、とても長い時間がかかります。
つまり模様は、ゆっくり冷えたことの記録です。冷え方が速すぎると、原子が歩く時間が足りず、模様は育ちません。順番に見ていきましょう。
小惑星の中心は、なぜそんなに冷めにくいの？
今から45億年ほど前、太陽のまわりでは小さな天体がたくさん生まれていました。大きめの天体では中が溶け、重い鉄とニッケルが中心に沈んで、金属の核ができたと考えられています。
図1の左を見てください。金属の核のまわりを、厚い岩の殻が包んでいます。岩は熱を伝えにくい物質です。しかも外は真空の宇宙で、風が熱を運び去ってくれることもありません。熱は、殻の表面から光として少しずつ出ていくだけです。
こうして核は、100万年あたり数℃から数千℃という、信じられないほどの遅さで冷えたと見積もられています。真ん中の値をとって100万年に100℃なら、1年で下がる温度は0.0001℃です。人の一生のあいだに、温度計の目盛りはまったく動かない計算になります。
その後、天体どうしがぶつかって砕け、核のかけらが宇宙をさまよいました。それがたまたま地球に落ちてきたものが、鉄の隕石です。
模様の正体は、ニッケルの「引っ越し」の跡
とても熱いうちは、鉄とニッケルはむらなく混ざった1種類の金属です。ところが温度がおよそ700℃を下回ると、ニッケルの少ない別の金属が、板のような形で生まれて育ち始めます。
板が育つには、そこにいたニッケルの原子が外へ出ていく必要があります。はじき出されたニッケルは板のふちにたまり、ニッケルの多い細い層になります。これが図1の右の、広い帯と細い線の正体です。
ここで効いてくるのが2つ目の遅さです。固い金属の中では、原子はまわりの原子とすき間をぬうように、少しずつしか動けません。しかも歩ける距離は、時間に比例して伸びるのではありません。時間を100倍にしても、距離は10倍にしかならないのです。
だから、幅が1ミリほどの帯を育てるには、数百万年の待ち時間が必要になります。地上の工場で金属をどれだけゆっくり冷やしても、せいぜい数日から数か月です。これが、鉄の隕石の模様は人工的に作れない、といわれる理由です。
帯が何方向にも交わって見えるのは、もとの金属の原子の並びに、板が育ちやすい向きが4つあるからです。その向きの板を斜めに切った断面が、網目のように見えるのです。
模様を最初に報告したのは、1804年ごろのトムソンと、1808年のウィドマンシュテッテンだとされています。後者は隕石の板を炎で熱したとき、場所によって色の変わり方が違うことから模様に気づいたと伝えられます。今では、この模様があることが、鉄の隕石が本物かどうかを見分ける手がかりの1つになっています。
帯の幅と、帯の中でのニッケルの濃さの変わり方を測ると、どれくらいの速さで冷えたかを逆算できます。冷え方が遅いほど、核を包む岩の殻は厚かったはずです。こうして、今はもう存在しない小惑星の大きさが、数十kmから数百kmほどと見積もられています。
まとめ
鉄の隕石の模様は、小惑星の中心で、厚い岩の殻に包まれて何百万年もかけて冷えた跡です。冷えるあいだ、ニッケルの原子が固い金属の中をゆっくり引っ越し、ニッケルの少ない帯と多い線に分かれました。原子の歩く距離は時間の平方根でしか伸びないため、地上の短い時間では同じ模様は育ちません。
模様を作ったのは、材料ではなく時間。
鉄の隕石の断面は、100万年に100℃という「遅さ」の化石です。
この隕石がどうやって「空から降ってくる石」と認められたのかは、隕石が空から降ってくることを、昔の学者はなぜ信じなかったの？で紹介しています。ゆっくり冷やすと結晶が大きく育つ話はミョウバンの結晶は、なぜあんなにきれいな形に育つの？に、地球の中心の鉄の核については地球の中心の話にあります。
- お湯にミョウバンをとけるだけとかし、2つのコップに分けます。熱いお湯は大人と一緒に扱いましょう。
- 1つは氷水につけて急いで冷やします。もう1つは発泡スチロールの箱に入れ、ふたをして一晩かけてゆっくり冷やします。
- 次の日、底にできた結晶を比べます。箱の中で冷えたほうが、粒が大きく育っているはずです。発泡スチロールの箱が、小惑星の「岩の殻」の役目をしています。
科学館や博物館で鉄の隕石の断面を見かけたら、帯が何方向に走っているか数えてみてください。帯が広いものほど、ゆっくり冷えた隕石です。
もっと知りたい人へ ― 用語・数式・教科書とのつながり中学理科から大学の専門科目まで、どのレベルの話かを明示しています
- 中学中学校の理科で習う範囲
- 高校高校の「化学」「物理」「地学」で習う範囲
- 高校＋高校の発展、または教科書のコラム扱いの内容
- 大学高校では習わない、大学の専門科目（金属材料学・惑星科学）の内容
- 研究大学でも「定説」として教わらない、いま研究者が調べている最中の話
中学用語：この現象には名前があります
- ウィドマンシュテッテン構造：鉄の隕石の断面に現れる、板状の金属が交わった模様。発見者の名前から。
- カマサイトとテーナイト：ニッケルが少ない金属（広い帯）がカマサイト、ニッケルが多い金属（細い線）がテーナイト。
- オクタヘドライト：この模様が出る鉄の隕石の種類。板が正八面体の面に沿って育つことから、八面体を意味する名がついています。
中学高校式で確かめる：模様が育つのに何年かかる？
冷える速さが一定だと考えて、模様が育つ温度の範囲を通り過ぎるのにかかる時間を出します。あわせて、帯の幅と時間の関係も見ます。
| 記号で書くと | t ＝ ΔT ÷ R （帯の幅の目安：x ≒ √( D × t )） |
| 言葉で書くと | かかる時間 ＝ 下がる温度の幅 ÷ 冷える速さ。原子が歩く距離 ＝ 歩きやすさ × 時間、の平方根 |
| どこから来る式か | 前半は「道のり ＝ 速さ × 時間」と同じ形の割り算。後半は、原子が向きを気まぐれに変えながら進む「拡散」の性質から来ます |
| t | 模様が育つ温度の範囲を通り過ぎる時間（単位：100万年） |
| ΔT | 模様が育つ温度の範囲の幅（単位：℃） |
| R | 冷える速さ（単位：100万年あたりの℃） |
| x | ニッケル原子が移動できる距離の目安（単位：m） |
| D | 拡散係数。原子の動きやすさで、温度が下がると急に小さくなる（単位：平方メートル毎秒） |
| 模様が育ち始める温度（ニッケルの量で変わる） | およそ700℃とされる |
| 原子がほとんど動けなくなる温度 | およそ400℃とされる |
| 冷える速さの例（見積もりの幅の中ほど） | 100万年あたり100℃ |
| 下がる温度の幅 ΔT | 700 − 400 ＝ 300 ℃ |
| かかる時間 t（100万年単位） | 300 ÷ 100 ＝ 3 |
| 1年あたりに下がる温度 | 100 ÷ 1000000 ＝ 0.0001 ℃ |
| 人の一生（80年）で下がる温度 | 0.0001 × 80 ＝ 0.008 ℃ |
| 帯の幅を10倍にするのに要る時間の倍率 | 10 × 10 ＝ 100 倍 |
模様が育つ期間は、およそ300万年になります。そのあいだ、人の一生では0.01℃も下がりません。さらに、歩く距離は時間の平方根でしか伸びないので、帯を10倍広くしたければ100倍の時間が要ります。地上の数日や数か月では、1ミリ幅の帯に届かないわけです。
高校高校＋結晶の並び方と、原子の動きやすさ
高校金属の原子は規則正しく並んだ結晶を作ります。ニッケルの多いテーナイトは面心立方格子、ニッケルの少ないカマサイトは体心立方格子です。温度が下がると、面心立方のほうが安定でいられなくなり、体心立方の板が析出します。
高校＋原子の動きやすさを表す拡散係数は、温度に強く左右され、アレニウスの式の形で温度が下がると急に小さくなります。そのため模様は主に高い温度のあいだに育ち、およそ400℃より下ではほとんど止まります。
大学鉄–ニッケル状態図と、冷却速度の読み取り
模様の成り立ちは、鉄–ニッケル二元系の状態図と、フィックの法則にもとづく拡散律速の成長で説明されます。テーナイトの中のニッケルの濃さは、帯のふちで高く中央で低い「M字形」の分布になります。この形を拡散の計算と比べて冷却速度を求める方法は、金属組織学的冷却速度計と呼ばれ、1960年代から使われてきました。
📖 式の導出や、さらに先の内容：ウィドマンシュテッテン構造（ウィキペディア） ／ フィックの法則（ウィキペディア）
研究まだはっきりとはわかっていないこと
- 同じ核のかけらなのに、冷え方がばらばら？ ある種類の鉄の隕石は、同じ核から来たはずなのに冷却速度が大きく違います。核が岩の殻をはぎ取られ、むき出しで冷えたからだという説が出されています。
- 帯のすき間に残る、小惑星の磁場の記録 テーナイトのふちにある、さらに細かい組織には、当時の小惑星の磁場が記録されているとされます。金属の核が磁場を作っていたのかを調べる研究が進んでいます。
- 小惑星の核を直接見に行く 金属でできていると考えられる小惑星プシケへ、探査機が向かっています。むき出しの核なのかどうかは、到着後の観測で確かめられる見込みです。
つまりこの記事の内容も、「いまわかっている範囲での説明」です。冷却速度の見積もりは、方法や隕石によって大きく幅があります。
教科書とのつながり（レベル別）
| レベル | 科目・単元 | この記事のどこ |
|---|---|---|
| 中学 | 理科「物質の状態変化」「太陽系」 | ゆっくり冷えると結晶が大きく育つこと、小惑星 |
| 高校 | 化学「金属結晶」、地学「太陽系の形成」 | 面心立方と体心立方、小惑星の核 |
| 高校＋ | 化学「反応速度と温度」 | アレニウスの式、拡散が低温で止まること |
| 大学 | 金属材料学、惑星科学 | 状態図、フィックの法則、金属組織学的冷却速度計 |
| 研究 | 隕石学 | 冷却速度のばらつき、古地磁気、プシケ探査 |
| ― | 生活とのつながり | ミョウバンや氷砂糖の結晶、鍛冶の焼き入れと焼きなまし |
- ウィキペディア「ウィドマンシュテッテン構造」
- ウィキペディア「フィックの法則」
- Goldstein, J. I., Scott, E. R. D., Chabot, N. L. (2009) Iron meteorites: Crystallization, thermal history, parent bodies, and origin. Chemie der Erde 69, 293–325.
- Yang, J., Goldstein, J. I., Scott, E. R. D. (2007) Iron meteorite evidence for early formation and catastrophic disruption of protoplanets. Nature 446, 888–891.
※本記事は一般向けの科学解説です。掲載した数値は、しくみを理解するための目安・概算です。冷却速度や温度の値は、研究や隕石の種類によって幅があります。