微惑星衝撃波による微惑星蒸発と惑星形成への影響

• Project/Area Number: 13J40054
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Astronomy
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 田中 今日子 北海道大学, 低温科学研究所, 特別研究員(RPD)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥4,320,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2015: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2014: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2013: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 微惑星衝撃波 / 凝縮 / 核生成過程 / 微惑星 / 蒸発 / 衝撃波 / 氷 / 原始惑星系円盤 / 太陽系初期 / 氷ダスト / 核生成 / 分子動力学計算

Outline of Annual Research Achievements

原始惑星系円盤において頻繁に発生する微惑星衝撃波は太陽系初期の物質進化を考える上で重要なプロセスである。本研究では微惑星衝撃波による微惑星の加熱、蒸発、再凝縮について記述する理論モデルの構築、およびそれを用いた微惑星衝撃波による物質進化の解明を目指した。平成２７年度は主に凝縮の素過程の解明に向けて、核生成の分子動力学計算と微惑星蒸発後の氷ダストの生成過程について調べた。飽和した蒸気から液滴が生まれる際の凝縮核生成は，最初にできる凝縮核がナノサイズより小さいため，その生成率を精度よく予言する一般的な理論はまだ存在しない。本研究では400万水分子を用いた大規模かつ長時間の分子動力学計算を行い，水蒸気からの均質凝縮核生成過程を調べた。その結果，従来計算の１０万分の１という低い核生成率で進行する現象を再現し，室内実験で得られている核生成率と同レベルに到達することに成功した。さらに，温度と圧力の２つに依存する凝縮核生成率が，それらの組み合わせである１つの量のみに依存する簡単なスケーリング則を発見した。このスケーリング則は，温度で約２００度，核生成率では３０桁にわたる広い範囲に対し，分子動力学計算と室内実験の両方のほとんどの結果をよく再現する。また表面張力のサイズ効果を明らかにするために希ガスを用いて液相からの気泡生成の大規模分子動力学計算を行った。得られた気泡の表面張力のサイズ効果は液体粒子の表面張力のサイズ効果と同様であることが分かった。分子動力学計算により得られた新しい核生成モデルを氷微惑星蒸発後の水蒸気の再凝縮過程に適用した結果、ナノメートルサイズの超微小氷ダストが原始惑星系円盤に大量に放出されることが明らかになった。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] チューリッヒ大学(スイス)
• [Journal Article] Homogeneous SPC/E water nucleation in large molecular dynamics simulations (2015)
  • Author(s): R. Angelil, J. Diemand, K. K. Tanaka, H. Tanaka
  • Journal Title: J. Chemical Physics Volume: 143 Issue: 6 Pages: 064507-064507
  • DOI: 10.1063/1.4928055
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Simple improvements to classical bubble nucleation models (2015)
  • Author(s): K. K. Tanaka, H. Tanaka, R. Angelil, J. Diemand
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 92 Issue: 2 Pages: 022401-022401
  • DOI: 10.1103/physreve.92.022401
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Free energy of cluster formation and a new scaling relation for the nucleation rate (2014)
  • Author(s): Kyoko K. Tanaka, Juerg Diemand, Raymond Angelil, and Hidekazu Tanaka
  • Journal Title: J. Chem. Phys. Volume: 140 Issue: 19
  • DOI: 10.1063/1.4875803
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] REVISITING JOVIAN-RESONANCE INDUCED CHONDRULE FORMATION (2014)
  • Author(s): M. Nagasawa , K. K. Tanaka, H. Tanaka, T. Nakamoto, H. Miura, and T. Yamamoto
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Letters Volume: 794 Issue: 1 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1088/2041-8205/794/1/l7
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Direct simulations of homogeneous bubble nucleation:Agreement with classical nucleation theory and no local hot spots (2014)
  • Author(s): Juerg Diemand, Raymond Angelil, Kyoko K. Tanaka, and Hidekazu Tnaka
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 90 Issue: 5
  • DOI: 10.1103/physreve.90.052407
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Bubble evolution and properties in homogeneous nucleation simulations (2014)
  • Author(s): Raymond Angelil, Juerg Diemand, Kyoko K. Tanaka, and Hidekazu Tanaka
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 90 Issue: 6
  • DOI: 10.1103/physreve.90.063301
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Molecular dynamics simulations of the nucleation of water : determining the sticking probability and formation energy of a cluster (2014)
  • Author(s): K. K. Tanaka, A. Kawano, H. Tanaka
  • Journal Title: Journal of Chemical Physics Volume: 140 Issue: 11
  • DOI: 10.1063/1.4867909
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Properties of Liquid Clusters in Large-scale MD Nucleation Simulations (2014)
  • Author(s): R. Angelil, J. Diemand, K. K. Tanaka, and H. Tanaka
  • Journal Title: Journal of Chemical Physics Volume: 140 Issue: 7
  • DOI: 10.1063/1.4865256
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Large Scale Molecular Dynamics Simulations of Homogeneous Nucleation (2013)
  • Author(s): J. Diemand, R. Angelil, K. K. Tanaka, H. Tanaka
  • Journal Title: Journal of Chemical Physics Volume: 139 Issue: 7
  • DOI: 10.1063/1.4818639
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Evaporation of Icy Planetesimals due to Bow Shocks (2013)
  • Author(s): K. K. Tanaka, T. Yamamoto, H. Miura, M. Nagasawa, T. Nakamoto, H. Tanaka
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 764 Issue: 2 Pages: 120-120
  • DOI: 10.1088/0004-637x/764/2/120
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 水の凝縮核生成の大規模MD計算と核生成率のスケーリング (2016)
  • Author(s): 田中今日子, Raymond Angelil, 田中秀和, Juerg Diemand
  • Organizer: 日本物理学会第71回年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学(宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] 液相からの気泡核生成の大規模分子動力学計算と古典的理論の改良 (2015)
  • Author(s): 田中今日子, 田中秀和, Juerg Diemand, Raymond Angelil
  • Organizer: 第29回分子シミュレーション討論会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ(新潟県・新潟市）
  • Year and Date: 2015-11-30
• [Presentation] Homogeneous SPC/E Water Nucleation in Large Molecular Dynamics Simulations (2015)
  • Author(s): H. Tanaka, K. K. Tanaka, R. Angelil, J. Diemand
  • Organizer: ILTS International Symposium on Low Temperature Science
  • Place of Presentation: 北海道大学低温科学研究所（北海道・札幌市）
  • Year and Date: 2015-11-30
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Shock heating of dusts and icy planetesimals and recondensation of icy grains (2015)
  • Author(s): K. K. Tanaka, M. Nagasawa, H. Tanaka, T. Nakamoto, H. Nomura, H. Miura, and T. Yamamoto
  • Organizer: Goldschmidt2015
  • Place of Presentation: Prague Congress Center [プラハ（チェコ）]
  • Year and Date: 2015-08-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Diagnosing evaporation of icy planetesimals in protoplanetary disks (2015)
  • Author(s): H. Nomura, D. Ishimoto, M. Nagasawa, K. K. Tanaka, H. Miura, T. Nakamoto, H. Tanaka, & T. Yamamoto
  • Organizer: IAU General Assembly
  • Place of Presentation: Hawaii Convention Center [Hawaii (USA)]
  • Year and Date: 2015-08-03
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 液相からの気泡核生成の大規模分子動力学計算と古典的理論の改良 (2015)
  • Author(s): 田中今日子, 田中秀和, Juerg Diemand, Raymond Angelil
  • Organizer: 北海道大学低温科学研究所研究集会衛星系研究会：衛星系と噴火現象
  • Place of Presentation: 北海道大学低温科学研究所（北海道・札幌市）
  • Year and Date: 2015-07-21
• [Presentation] 水蒸気から液滴への均質核生成の大規模分子動計算 (2015)
  • Author(s): 田中今日子,田中秀和, Raymond Angelil, Juerg Diemand
  • Organizer: 地球惑星科学関連学会2015年合同大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ（千葉県・千葉市）
  • Year and Date: 2015-05-22
• [Presentation] 気泡核生成の大規模分子動力学計算と古典的核生成理論の改良 (2015)
  • Author(s): 田中今日子,田中秀和, Raymond Angelil, Juerg Diemand
  • Organizer: 地球惑星科学関連学会2015年合同大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ（千葉県・千葉市）
  • Year and Date: 2015-05-22
• [Presentation] Thermal evolution of planetesimals and dust particles by planetesimal bow shocks (2015)
  • Author(s): K. K. Tanaka, M. Nagasawa, H. Tanaka, T. Nakamoto, H. Miura, and T. Yamamoto
  • Organizer: 31th Grain Formation Workshop
  • Place of Presentation: 強羅静雲荘 （神奈川県箱根町）
  • Year and Date: 2015-01-07 – 2015-01-09
• [Presentation] 観測ロケットによる核生成実験と理論モデルとの比較 (2015)
  • Author(s): 田中今日子
  • Organizer: 独立行政法人宇宙航空研究開発機構宇宙環境利用科学委員会 宇宙環境 「気相からの核生成と宇宙ダスト」
  • Place of Presentation: 強羅静雲荘 （神奈川県箱根町）
  • Year and Date: 2015-01-06 – 2015-01-07
• [Presentation] Large scale molecular dynamics simulations of homogeneous nucleation: surface energy of clusters and a new scaling relation for the nucleation rate (2014)
  • Author(s): K. K. Tanaka
  • Organizer: workshop of the influence of material and temperature on the dust coagulation in protoplanetary disks
  • Place of Presentation: 北海道大学 （札幌市）
  • Year and Date: 2014-08-05 – 2014-08-07
• [Presentation] Evaporation of icy planetesimals and recondensation of icy particles due to bow shocks (2014)
  • Author(s): K. K. Tanaka, H. Tanaka, T. Yamamoto, H. Miura, T. Nakamoto, and M. Nagasawa
  • Organizer: Annual meeting of AOGS
  • Place of Presentation: ロイトンホテル (札幌市）
  • Year and Date: 2014-07-28 – 2014-08-01
• [Presentation] 微惑星衝撃波による微惑星蒸発および惑星形成への影響 (2014)
  • Author(s): 田中今日子
  • Organizer: RPD研究交流会
  • Place of Presentation: 明治会館 （東京都港区）
  • Year and Date: 2014-07-14
• [Presentation] 木星形成後の微惑星衝撃波による物質進化に向けて (2014)
  • Author(s): 田中今日子, 長沢真樹子, 田中秀和, 三浦均, 中本泰史, 山本哲生
  • Organizer: 新学術領域研究「宇宙分子進化」第二回全体集会
  • Place of Presentation: 東京大学 （東京都文京区）
  • Year and Date: 2014-06-23 – 2014-06-24
• [Presentation] 大規模MD計算による凝縮核生成エネルギーの導出および核生成率の新しいスケーリング (2014)
  • Author(s): 田中今日子, Juerg Diemand, Raymond Angelil, 田中秀和
  • Organizer: 地球惑星科学関連学会 2014 年合同大会
  • Place of Presentation: Pacifico Yokohama （横浜市）
  • Year and Date: 2014-04-28 – 2014-05-02
• [Presentation] 凝縮核生成過程の大規模MDシミュレーションと新しい核生成率のスケーリング (2014)
  • Author(s): 田中今日子, JuergDiemand, Raymond Angelil, 田中秀和
  • Organizer: 宇宙ダスト核生成研究会
  • Place of Presentation: 秋保温泉佐勘(仙台市)
• [Presentation] LAMMPSを用いた凝縮核生成過程の大規模シミュレーション (2013)
  • Author(s): 田中今日子
  • Organizer: 北大-産総研包括連携等事業ワークショップ2013
  • Place of Presentation: 北海道大学(札幌市)
  • Year and Date: 2013-07-16
  • Invited
• [Presentation] Evaporation of icy planetesimals and recondensation of icy particles due to bow shocks (2013)
  • Author(s): K. K. Tanaka, H. Tanaka, T. Yamamoto, H. Miura, T. Nakamoto, M. Nagasawa
  • Organizer: Exoplanets and Disks : Their Formation and Diversity II, The 5th Subaru International Conference
  • Place of Presentation: Hawaii (USA)
• [Presentation] A new scaling relation for nucleation rates (2013)
  • Author(s): K. K. Tanaka, H. Tanaka, J. Diemand, A. Raymond
  • Organizer: 3rd International conference on molecular simulation (ICMS2013)
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場(神戸市)
• [Presentation] Molecular dynamics simulation of vapor-liquid nucleation of water : determing for mation energy of a cluster (2013)
  • Author(s): A. Kawano, K. K. Tanaka, H. Tanaka
  • Organizer: 3rd International conference on molecular simulation (ICMS2013)
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場(神戸市)
• [Presentation] Large scale molecular dynamics simulations of vapor-to liquid nucleation (2013)
  • Author(s): J. Diemand, A. Raymond, K. K. Tanaka, H. Tanaka
  • Organizer: 3rd International conference on molecular simulation (ICMS2013)
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場(神戸市)
• [Presentation] Large scale MD simulations of nucleation (2013)
  • Author(s): J. Diemand, A. Raymond, K. K. Tanaka, H. Tanaka
  • Organizer: 19th International conference on nucleation and atmospheric aerosols
  • Place of Presentation: Colorado State university, Colorado (USA)
• [Presentation] The physics of nucleated droplets in large scale MD Lennard-Jones simulations (2013)
  • Author(s): A. Raymond, J. Diemand, K. K. Tanaka, H. Tanaka
  • Organizer: 19th International conference on nucleation and atmospheric aerosols
  • Place of Presentation: Colorado State university, Colorado (USA)
• [Presentation] 衝撃波による氷微惑星の蒸発とダストの再凝縮過程 (2013)
  • Author(s): 田中今日子, 田中秀和, 山本哲生, 三浦均, 中本泰史, 長沢真樹子
  • Organizer: 日本天文学会2013年秋季年会
  • Place of Presentation: 東北大学(仙台市)
• [Presentation] ガスからの核生成過程の大規模MD計算 (2013)
  • Author(s): 田中今日子, レイモンドアンジェリル, ユルグディアマンド, 田中秀和
  • Organizer: 球惑星科学関連学会 2013年 合同大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ(千葉市)
• [Presentation] 衝撃波による氷微惑星の蒸発 : 水分子輝線による加熱 (2013)
  • Author(s): 田中今日子, 田中秀和, 山本哲生, 三浦均, 中本泰史, 山崎布美香, 長沢真樹子
  • Organizer: 球惑星科学関連学会 2013年 合同大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ(千葉市)
• [Remarks] 北海道大学プレスリリース（2015. 8.19）水の凝縮核生成の大規模分子動力学シミュレーション
  • URL: http://www.lowtem.hokudai.ac.jp/press.html
• [Remarks] 核生成- from water vapor to droplet-(日本語）
  • URL: https://www.youtube.com/watch?v=QI4TRR-bntI&nohtml5=False
• [Remarks] Nucleation -from water vapor to droplet -(English)
  • URL: https://www.youtube.com/watch?v=jq8pCThPIjo&nohtml5=False