Laboratory simulation of planetesimal impacts on magma ocean

• Project/Area Number: 22K18281
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 17:Earth and planetary science and related fields
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 荒川 政彦 神戸大学, 理学研究科, 教授 (10222738)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥25,740,000 (Direct Cost: ¥19,800,000、Indirect Cost: ¥5,940,000); Fiscal Year 2025: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2024: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2023: ¥10,010,000 (Direct Cost: ¥7,700,000、Indirect Cost: ¥2,310,000); Fiscal Year 2022: ¥8,190,000 (Direct Cost: ¥6,300,000、Indirect Cost: ¥1,890,000)
• Keywords: マグマオーシャン / 分化溶融微惑星 / 天体衝突 / 衝突クレーター / コンドリュール / 水星核

Outline of Research at the Start

惑星科学の中で多くの研究者が関心を寄せる問題として、コンドリュールの起源と水星の巨大鉄コア問題がある。本研究は、まったく関連のないと思われてきたこの２つの難問が、地球型惑星領域に存在した分化溶融微惑星の衝突過程で繋がっているという新しい仮説を提案している。分化溶融微惑星は、マグマオーシャンに覆われており、そこへの小天体の斜め衝突は、岩石と鉄を効率的に分別する可能性が高い。さらに、衝突時に発生するマグマのエジェクタカーテンは、コンドリュールを形成する可能性がある。これらの結果に基づいて、水星の巨大鉄コアとコンドルリュールの起源を同時に説明する新しい仮説を提案する。

Outline of Annual Research Achievements

本年は、昨年度開発した斜め衝突用火薬ガス銃の試射と改良を行った。直径7mmのポリカ弾丸を1.5km/sまで加速できることを確認しているが、目標の2km/s以上には達していない。また、サボ分離による直径3mm以下の弾丸の発射実験も行ったが、実用には至っていない。
この研究では、岩石・金属溶融装置を開発するために高周波誘導加熱炉を導入する予定であるが、その予備実験として低融点金属（ハンダ）とパラフィンを用いた2層構造標的への衝突実験を行った。電熱ヒーターにより、パラフィン・低融点金属を両者が液体となる100℃程度にまで加熱した。そして、標的が重力成層した状態でガラス弾丸を自由落下により、数m/sで垂直衝突させた。この様子を高速ビデオカメラにより、水平方向及び真上から観察して、上層のパラフィン層及び下層の低融点金属層でのクレーター形成過程を観察した。
この結果、クレーターキャビティー（直径）の成長は、このキャビティーの下方向の成長が続く限り継続することがわかった。キャビティーの深さ方向の成長が、浮力により止まり、浅くなり始めるとキャビティーの直径も減少する。キャビティーの最大直径と弾丸運動エネルギーはべき乗の関係にあるが、均質パラフィン層で最もクレーターは大きくなり、均質低融点金属層や2層構造標的では、それよりも小さくなった。πスケール則によりスケーリングすると2種類の均質標的はスケーリングできた。これは標的密度の差がクレーターサイズに影響を与えるからだと推測される。一方、2層構造標的では、クレーター直径は、下層の低融点金属層に制御されているように見える。また、クレーターリムはイジェクタが再堆積することで発生することが確認された。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本研究の目的を達成するために4項目の課題を実施する予定であった。初年度と二年度は(1)岩石・金属溶融装置の開発と(2)斜め衝突用実験装置の導入を中心に実施しすることにしていた。三年度目と四年度目には(3)マグマ上への斜め衝突実験の実施、(4)鉄・岩石分別作用とコンドリュール形成モデルの構築を予定している。初年度は（2）を中心に実施したが、衝突装置の立ち上げが終わっていないので、今年度も（2）を継続して実施した。その結果、現在、サボ分離には成功しているが、銃身のアライメントが合っていなので、サボが標的まで来て衝突している。また、現時点では、火薬の燃え残りが多く、それが標的にぶつかる状態にある。
衝突装置の開発が遅れているため（1）用の装置の購入も遅れている。そのため（3）の実験を、パラフィンや低融点金属などの模擬試料を用いて低速度において開始した。

Strategy for Future Research Activity

遅れている衝突装置の立ち上げを早急に実施する。火薬の種類を変更して燃え残りを減らし、銃身のアライメントの調整を進めることでサボ分離技術を完成したい。また、使用する火薬の種類を変更することで目標とする2km/sを超える高速度での衝突実験を目指す予定である。同時に初年度に予定していた岩石・金属の溶融装置（高周波誘導加熱炉）を導入し、衝突実験用のチャンバーに実装する。そして、それらを利用した衝突実験を開始する。

Research Products

• [Journal Article] Preservation of pristine materials under impact craters formed on comet nuclei (2024)
  • Author(s): Sasai Haruka、Arakawa Masahiko、Yasui Minami、Shirai Kei
  • Journal Title: Icarus Volume: 411 Pages: 115929-115929
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2023.115929
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Low-velocity impact experiments of porous ice balls simulating Saturn's ring particles: Porosity dependence of restitution coefficients and the mechanism of inelastic collision (2024)
  • Author(s): Toyoda Yukari M.、Arakawa Masahiko、Yasui Minami
  • Journal Title: Icarus Volume: 411 Pages: 115964-115964
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2024.115964
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Exploration-Based Reconstruction of Planetesimals (2023)
  • Author(s): Watanabe, S., Arakawa, M., Hirabayashi, M., Sugita, S., Bottke, W. F., Michel, P.
  • Journal Title: Protostars and Planets VII, In Astronomical Society of the Pacific Conference Series Volume: 534 Pages: 993-1029
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Particle size distributions inside and around the artificial crater produced by the Hayabusa2 impact experiment on Ryugu (2022)
  • Author(s): Ogawa K.、Sakatani N.、Kadono T.、Arakawa M.、Honda R.、Wada K.、et al.
  • Journal Title: Earth, Planets and Space Volume: 74 Issue: 1 Pages: 153-153
  • DOI: 10.1186/s40623-022-01713-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Constraining surface properties of asteroid (162173) Ryugu from numerical simulations of Hayabusa2 mission impact experiment (2022)
  • Author(s): Jutzi Martin、Raducan Sabina D.、Zhang Yun、Michel Patrick、Arakawa Masahiko
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 7134-7134
  • DOI: 10.1038/s41467-022-34540-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effect of boulder size on ejecta velocity scaling law for cratering and its implication for formation of tiny asteroids (2022)
  • Author(s): Okawa Hatsune、Arakawa Masahiko、Yasui Minami、Hasegawa Sunao、Toda Mizuno、Shirai Kei、Yamamoto Yuya
  • Journal Title: Icarus Volume: 387 Pages: 115212-115212
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2022.115212
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Intrinsic spectral variation among C-type bright boulders on Ryugu revealed from observations of the artificial crater (2024)
  • Author(s): Sugita, S.
  • Organizer: 55th Lunar and Planetary Science Conference 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Re-accretion process after the catastrophic disruption event on a differentiated asteroid (2024)
  • Author(s): Kurosaki, K.
  • Organizer: 55th Lunar and Planetary Science Conference 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High-velocity oblique impact may form a hot spring on a crater floor of icy bodies (2024)
  • Author(s): Sasai,Haruka
  • Organizer: 55th Lunar and Planetary Science Conference 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Impact Experiments on Cohesive Layer Covered with Regolith Layer: Effects of Granular Layer Thickness and Bedrock Strength on Crater Morphology (2023)
  • Author(s): Kakinoki, Reia
  • Organizer: American Geophysical Union (AGU) Fall Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Impact Cratering Experiments on Wet Sand: Crater Formation Mechanism of Secondary Craters on Mars (2023)
  • Author(s): Toyoshima, Haruna
  • Organizer: American Geophysical Union (AGU) Fall Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Impact experiments on ice spherical targets simulating icy planetesimals at various thermal evolution stages (2023)
  • Author(s): Yasui, Minami
  • Organizer: American Geophysical Union (AGU) Fall Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of Impact Heating on Porous Icy Bodies Like Comets (2023)
  • Author(s): Sasai, Haruka
  • Organizer: 15th International Conference on the Physics and Chemistry of Ice
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Impact strength of porous icy bodies in high-velocity oblique collision: Implication for catastrophic disruption of Kuiper belt objects in outer solar system (2023)
  • Author(s): Yasui, Minami
  • Organizer: 15th International Conference on the Physics and Chemistry of Ice
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental study on collisional disruption of differentiated icy planetesimals (2023)
  • Author(s): Ishii, Shunki
  • Organizer: 15th International Conference on the Physics and Chemistry of Ice
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Exploration-Based Reconstruction of Planetesimals (2023)
  • Author(s): Arakawa,M.
  • Organizer: Protostars and Planets VII, Kyoto International Conference Center
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Experimental studies on crater scaling law applicable to undulating surfaces and crater collapse (2023)
  • Author(s): Yokota, Y.
  • Organizer: 54th Lunar and Planetary Science Conference (2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High-velocity oblique impact experiments on wet sand targets simulating habitable planets (2023)
  • Author(s): Toyoshima, H.
  • Organizer: 54th Lunar and Planetary Science Conference (2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Post shock heat induced by high-velocity oblique impacts on porous icy bodies (2023)
  • Author(s): Sasai, H.
  • Organizer: 54th Lunar and Planetary Science Conference (2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Collisional stripping of the rock mantle on the differentiated asteroid (2023)
  • Author(s): Kurosaki, K.
  • Organizer: 54th Lunar and Planetary Science Conference (2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Impact experiments for crater size scaling laws on rubble-pike asteroids (2023)
  • Author(s): Yamamoto, Y.
  • Organizer: 54th Lunar and Planetary Science Conference (2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 小惑星模擬物質の高速度衝突実験：衝突残留温度分布の物質強度依存性 (2023)
  • Author(s): 保井みなみ
  • Organizer: 令和４年度宇宙科学に関する室内シンポジウム
• [Presentation] コア・マントル構造を持つ含水小天体の衝突破壊と破片速度分布：標的内部の粒子速度分布の計測 (2022)
  • Author(s): 石田 紗那
  • Organizer: 天体の衝突物理の解明 (XVIII) ～表層粒子から探る太陽系天体の進化～