宇宙から消えた硫黄は、塵に貼りついているのかもしれない

宇宙にある硫黄を数えると、水素原子10万個あたり約1.2個になる。ところが星の冷たく濃いゆりかごである分子雲では、望遠鏡が検出する硫黄を含む分子を合計しても、その量の5%未満にしかならない。この長年の謎は**「失われた硫黄」問題**(missing sulfur problem)と呼ばれている。

ほとんどの宇宙化学者は、残りが塵の粒子の上に固体として閉じ込められていると考えている。候補としては、隕石や、小惑星リュウグウとベンヌから持ち帰られた試料に見つかっている鉄やマグネシウムの硫化物、塩類、そしてS₈のような純粋な硫黄の形態がある。S₈は遠くから見るのがほぼ不可能だ。教科書的な経路、つまり粒子の上で硫黄が硫化水素になるという考えは、観測と食い違う。固体の硫化水素は乏しいのだ。計算では、硫黄原子はケイ酸塩の塵に強く結合するはずだと予測されていた。だが、現実的なごく微量の条件で、それを実験室で確かめた人はいなかった。

冷たい塵の上の原子を1個ずつ見る

北海道大学のシー・ニエン(Ni-En Sie)らは、広島大学、マドリードのスペイン高等科学研究院(CSIC)、理化学研究所の協力者とともに、表面を10ケルビンに冷やした超高真空チャンバーで実験を行った。表面は、星間塵の代わりとなる厚さ500ナノメートルの非晶質ケイ酸マグネシウムの膜で覆われ、ときにはその上に水の氷の層がのせられた。

彼らはごくわずかな量の硫化水素、つまり単分子層1枚の4分の1パーセントを堆積させ、紫外線レーザーでそれを分解して、むき出しの硫黄原子を残した。そこで鍵となる道具が登場する。1つ目のレーザーパルスが表面から原子をそっとはじき出し、2つ目のパルスが硫黄だけをイオン化する。これによって、チームは表面にある硫黄原子を、そのままの状態で直接数えることができる。以前の実験ではそれができなかった。

離れようとしない原子

それぞれの試料を、水の氷がすべて蒸発する180ケルビンまで温め、残った原子を数えた。

• むき出しのケイ酸塩の上では、硫黄原子の半分が残った(比率0.50 ± 0.13)。その信号は、室温まで何度温め直しても一定のままだった。硫黄はケイ酸塩の上にただ乗っているのではなく、化学的に結合しているのだ。
• 表面が温まるにつれて、一部の原子は結びついてS₂分子になった。わずかな数の原子からでも、ケイ酸塩の上で硫黄のクラスターができることを示す初めての実験的証拠である。
• 硫黄はそれ自体ではほとんど蒸発しない。失われる分は、主に氷が昇華するときに水と一緒に出ていく。
• 氷の上に置かれた原子は、150ケルビンまでに表面の信号から消え、水が出ていく160ケルビンでふたたび現れた。原子は氷を掘り進み、その下のケイ酸塩に取りついていたのだ。

左:氷に覆われたケイ酸塩の上の硫黄原子は、150 K付近で表面の信号から消え、氷が出ていく160 Kで戻ってくる。右:紫外線を照射した試料を加熱したときに放出されるガス。— 図6、Sie et al. (2026), arXiv:2609.37663.

量子化学計算によれば、ケイ酸塩粒子のマグネシウムのサイトに1個の硫黄原子が結合するエネルギーは約9,700ケルビンであり、粒子の上でその硫黄が硫化水素に変わるのは起こりにくいことが示唆される。

隠れた貯蔵庫と、その検証

チームは次に、これらの結果を、希薄な雲が濃い雲へと変わっていくモデルに組み込んだ。硫黄イオンは数百年のうちに中性化され、粒子に貼りつく。氷が粒子を覆う前に、**すべての硫黄の10〜20%**が粒子と化学的に結合する。これは、これまで見積もられていた粒子に閉じ込められた硫黄の2〜4倍にあたる。いったん結合すると、氷がなくなったあとでも見えないままだ。

このモデルはすべての粒子がケイ酸塩だと仮定しており、その数値はよくわかっていない表面の性質に左右される。それでも、検証可能な予測を立てている。衝撃波が塵を十分に強く加熱する場所では、この隠れた硫黄が放出されるはずだ。著者らはジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡でそれを探すことを提案している。