Destruction of Interstellar Dust Revisited: Can Mesoscopic Physics Solve the Dust Budget Crisis?

• Project Area: A Paradigm Shift by a New Integrated Theory of Star Formation: Exploring the Expanding Frontier of Habitable Planetary Systems in Our Galaxy
• Project/Area Number: 21H00050
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Chiba Institute of Technology
• Principal Investigator: 木村 宏 千葉工業大学, 惑星探査研究センター, 研究員 (10400011)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: ダスト / メゾスコピック物理 / 衝突破壊 / スパッタリング / 星間物質

Outline of Research at the Start

恒星が終焉を迎えると周星ガスの凝縮からサブミクロンサイズの固体微粒子 (ダスト) が形成され星間へと供給される。しかし、星間ダストの供給総質量は、超新星の衝撃波によって破壊されるダストの総質量を下回るとされ、星間ダストの実在根拠がいま問われている。本研究では、この『星間ダストの供給問題』を解決すべく、メゾスコピック物理の観点からダストの破壊現象を再考する。本研究を推進することにより、ミクロ (原子・分子) ～マクロ (星・惑星) 領域がメゾスコピック領域を架け橋として有機的に結びつくことにより、全サイズ領域を統合した星間物質科学の推進という点で新たな研究の創造が期待される。

Outline of Annual Research Achievements

生成されるタイムスケールが破壊されるタイムスケールを上回るにもかかわらず、星間ダストが実在するのは何故かという長年に亘って解明できなかった問題に決着をつけることを本研究での目的とし、メゾスコピック領域の星間ダストは従来考えられてきたよりも破壊されにくいのではないかという着想を得て、その実在根拠を解明することを試みた。
星間ダスト同士の衝突破壊に関する従来のモデルでは、ダスト同士の衝突により生じた衝撃波の圧力がダストの引張強度を超える場合を壊滅的な破壊が起きる条件としていた。本研究では、前年度にメゾスコピック領域の物理を駆使した結果、引張強度を解析的な式で表現することに成功した。本年度では、その理論式を用いて、ダストの衝突破壊強度、衝突破片の速度や自転周期を表す解析的な式を導出した。これらの式から理論的に見積もった物理量は、実験データや分子動力学計算結果と調和的であることも明らかにすることができた。また、引張強度や衝突破壊強度はダストサイズに依存し、小さなダストほど大きな強度を示すことにより、小さな星間ダストほど壊れにくいという従来の星間ダスト衝突破壊モデルでは考慮されていなかった点が明らかになった。こうした強度のサイズ依存性により、星間ダストが破壊されるタイムスケールの過小評価に繋がっていたことが判明したのは、本研究の大きな成果である。研究期間内には、破壊されるタイムスケールの定量的な評価を得るまでには至らなかったが、これまでの研究成果を総括し、複数本の論文として出版する予定である。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] MPI f. Solar System Research/Technische Universitaet Braunschweig(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] University of Maryland(米国)
• [Int'l Joint Research] ブラウンシュヴァイク工科大学/マックスプランク太陽系科学研究所/ベルリン自由大学(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] メリーランド大学/ウェズリアン大学(米国)
• [Int'l Joint Research] 欧州宇宙天文学センター(スペイン)
• [Journal Article] Dust release from cold ring particles as a mechanism of spoke formation in Saturn’s rings (2022)
  • Author(s): Naoyuki Hirata, Hiroshi Kimura, Keiji Ohtsuki
  • Journal Title: Icarus Volume: 378 Pages: 114900-114920
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2022.114920
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Do twin spectral peaks of olivine particles in the thermal infrared diagnose their sizes and porosities? (2022)
  • Author(s): Kimura Hiroshi、Markkanen Johannes、Kolokolova Ludmilla、Hilchenbach Martin、Wada Koji、Kanada Yasumasa、Matsui Takafumi
  • Journal Title: Icarus Volume: 380 Pages: 114964-114964
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2022.114964
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Electrostatic dust ejection from asteroid (3200) Phaethon with the aid of mobile alkali ions at perihelion (2022)
  • Author(s): Kimura Hiroshi、Ohtsuka Katsuhito、Kikuchi Shota、Ohtsuki Keiji、Arai Tomoko、Yoshida Fumi、Hirata Naoyuki、Senshu Hiroki、Wada Koji、Hirai Takayuki、Hong Peng K.、Kobayashi Masanori、Ishibashi Ko、Yamada Manabu、Okamoto Takaya
  • Journal Title: Icarus Volume: 382 Pages: 115022-115022
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2022.115022
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Modelling cometary meteoroid stream traverses of the Martian Moons eXploration (MMX) spacecraft en route to Phobos (2021)
  • Author(s): Krueger Harald、Kobayashi Masanori、Strub Peter、Klostermeyer Georg-Moragas、Sommer Maximilian、Kimura Hiroshi、Gruen Eberhard、Srama Ralf
  • Journal Title: Earth, Planets and Space Volume: 73 Issue: 1 Pages: 93-93
  • DOI: 10.1186/s40623-021-01412-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Development and ground calibration of DESTINY+; Dust Analyser: Status report in 2022-2023 (2023)
  • Author(s): Takayuki Hirai, Masanori Kobayashi, Tomoko Arai, Hiroshi Kimura, Hikaru Yabuta, Sui Amano, Sachio Kobayashi, Motoo Ito, Akira Yamaguchi, Sho Sasaki, Hajime Yano, Mario Trieloff, Thomas Ludwig, Winfried Schwarz, Jens Hopp, Jon Hillier, Nozair Khawaja, Frank Postberg, Lisa Eckart, Harald Krueger, DESTINY+ team
  • Organizer: PERC Int'l Symposium on Dust & Parent Bodies 2023 (IDP2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Does electrostatic dust lofting accounts for Phaethon's dust trail and the Geminids? (2023)
  • Author(s): Hiroshi Kimura, Katsuhito Ohtsuka, Shota Kikuchi, Keiji Ohtsuki, Tomoko Arai, Fumi Yoshida, Naoyuki Hirata, Hiroki Senshu, Koji Wada, Takayuki Hirai, Peng K. Hong, Masanori Kobayashi, Ko Ishibashi, Manabu Yamada, Takaya Okamoto
  • Organizer: PERC Int'l Symposium on Dust & Parent Bodies 2023 (IDP2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Current Status of DESTINY+ and Ground-Based Observations of Its Target Asteroid (3200) Phaethon (2023)
  • Author(s): Arai, T., Kobayashi, M., Ishibashi, K., Yoshida, F., Kimura, H., Hirai, T., Hong, P.K., Okamoto, T., Wada, K. Senshu, H., Yamada, M., Akitaya, H., Srama, R., Krueger, H., Ishiguro, M., Nakamura, T., Yabuta, H., Sasaki, S., Watanabe, J., Ito, T., Ootsubo, T., Ohtsuka, K., Tachibana, S., Mikouchi, T., 他28名
  • Organizer: 54th Lunar and Planetary Science Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Comparing meteoritic stardust with contemporary interstellar dust measured by Cassini and DESTINY+ - constraining models of dust processing in the interstellar medium (2022)
  • Author(s): Trieloff, M., Kimura, H., Postberg, F., Krueger, H., Strub, P., Leitner, J., Sterken, V., Hunziker, S., Hillier, J., Hirai, T., Yabuta, H., Ito, M., Khawaja, N., Schwarz, W. H., Ludwig, Th., Schmitt, J., Sasaki, S., Arai, T., Kobayashi, M., Srama, R.
  • Organizer: 16th Europlanet Science Congress 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超小型衛星搭載の膜面型ダストセンサによる宇宙塵観測：ASTERISCプロジェクト (2022)
  • Author(s): 石丸 亮、小林 正規、奥平 修、前田 恵介、坂本 祐二、藤田 伸哉、木村 宏、松井 孝典
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [Presentation] In-Situ Mass Spectrometry for Interstellar Dust in Space Missions: A Novel Approach to Study the Physical and Chemical Properties of the Local Interstellar Cloud (2022)
  • Author(s): 木村 宏、Frank Postberg、Mario Trieloff、Nicolas Altobelli、Harald Krueger、Seth Redfield、小林 正規、荒井 朋子、平井 隆之、伊藤 元雄、Peter Strub
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [Presentation] Current status of DESTINY+ project and science (2022)
  • Author(s): 荒井 朋子、小林 正規、石橋 高、木村 宏、平井 隆之、洪 鵬、岡本 尚也、山田 学、千秋 博紀、和田 浩二、吉田 二美、Srama Ralf、クルーガ ハラルド、佐々木 晶、薮田 ひかる、石黒 正晃、関口 朋彦、渡部 潤一、伊藤 孝士、大坪 貴文、阿部 新助、大塚 勝仁、浦川 聖太郎、中村 智樹、廣井 孝弘、松浦 周二、伊藤 元雄、山口 亮、他22名
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [Presentation] Progress report of development and ground calibration of DESTINY+ Dust Analyser 2022 (2022)
  • Author(s): 平井 隆之、小林 正規、荒井 朋子、木村 宏、薮田 ひかる、天野 翠、小林 幸雄、伊藤 元雄、山口 亮、佐々木 晶、矢野 創、トリーロフ マリオ、ルードヴィッヒ トーマス、シュヴァルツ ヴィンフリート、ホップ イェンス、ヒリアー ジョン、カワジャ ノゼア、ポストバーグ フランク、エカート リサ、クルーガー ハラルド、スラーマ ラルフ、他2名
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [Presentation] 超小型衛星 ASTERISC による地球周辺ダスト粒子の観測 (2022)
  • Author(s): 石丸 亮、小林 正規、奥平 修、前田 恵介、坂本 祐二、藤田 伸哉、木村 宏、松井 孝典
  • Organizer: 月ー地球圏ダスト環境ワークショップ
• [Presentation] 月面からのダスト放出について (2022)
  • Author(s): 木村 宏
  • Organizer: 第一回 月ー地球圏ダスト環境ワークショップ
• [Presentation] 宇宙塵探査実証衛星 ASTERISC の運用状況 (2022)
  • Author(s): 石丸 亮、坂本 祐二、藤田 伸哉、小林 正規、奥平 修、前田 恵介、木村 宏、松井 孝典
  • Organizer: 第66回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] 深宇宙探査技術実証機 DESTINY+ によるサイエンスと目標天体 Phaethon の地上観測 (2022)
  • Author(s): 荒井 朋子、吉田 二美、小林 正規、石橋 高、木村 宏、平井 隆之、洪 鵬、岡本 尚也、山田 学、千秋 博紀、和田 浩二、Srama Ralf、Kruger Harald、薮田 ひかる、佐々木 晶、伊藤 元雄、石黒 正晃、関口 朋彦、大塚 勝仁、伊藤 孝士、大坪 貴文、渡部 潤一、阿部 新助、浦川 聖太郎、中村 智樹、廣井 孝弘、松浦 周二、紅山 仁、他22名
  • Organizer: 第66回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] DESTINY+ダストアナライザの地上校正計画 (2022)
  • Author(s): 平井 隆之、小林 正規、荒井 朋子、木村 宏、佐々木 晶、薮田 ひかる、天野 翠、小林 幸雄、伊藤 元雄、山口 亮、矢野 創、Trieloff Mario、Ludwig Thomas、Schwarz Winfried、Hopp Jens、Hillier Jon、Khawaja Nozair、Postberg Frank、Eckart Lisa、Krueger Harald、Srama Ralf、Simolka Jonas、Henselowsky Carsten
  • Organizer: 第66回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] ふたご座流星群母天体フェートン小惑星が彗星活動も無くダストを放出する謎に迫る (2022)
  • Author(s): 木村 宏、大塚 勝仁、菊地 翔太、大槻 圭史、荒井 朋子、吉田 二美、平田 直之、千秋 博紀、和田 浩二、平井 隆之、洪 鵬、小林 正規、石橋 高、山田 学、岡本 尚也
  • Organizer: 第66回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] ふたご座流星群母天体 Phaethon 小惑星からの ダスト放出メカニズムの解明 (2022)
  • Author(s): 木村 宏、大塚 勝仁、菊地 翔太、大槻 圭史、荒井 朋子、吉田 二美、 平田 直之、千秋 博紀、和田 浩二、平井 隆之、洪 鵬、小林 正規、 石橋 高、山田 学、岡本 尚也
  • Organizer: 日本惑星科学会 2022年 秋季講演会
• [Presentation] Development of tracking mirror actuator for telescopic camera onboard DESTINY+ (2022)
  • Author(s): Takayuki Hirai、Masanori Kobayashi、Tomoko Arai、Hiroshi Kimura、Hikaru Yabuta、Sui Amano、Sachio Kobayashi、Motoo Ito、Akira Yamaguchi、Sho Sasaki、Hajime Yano、Mario Trieloff、他
  • Organizer: PERC Int'l Symposium on Dust & Parent Bodies 2022 (IDP2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 彗星ダストの形成過程と破壊強度における階層 (2022)
  • Author(s): 木村 宏
  • Organizer: 「自然科学における階層と全体」シンポジウム
• [Presentation] In-Situ Mass Spectrometry for Interstellar Dust in Space Missions: A Novel Approach to Study the Physical and Chemical Properties of the Local Interstellar Cloud (2022)
  • Author(s): 木村 宏、小林 正規、荒井 朋子、平井 隆之、伊藤 元雄、Postberg Frank、Trieloff Mario、Altobelli Nicolas、Krueger Harald、Strub Peter、Redfield Seth
  • Organizer: 新学術「星・惑星形成」2021年度大研究会
• [Presentation] The Chemical Composition of Interstellar Dust in Light of the DESTINY+ Mission: A Novel Tool to Measure the Elemental Abundances and Ionization of the Local Interstellar Cloud (2021)
  • Author(s): 木村 宏、小林 正規、荒井 朋子、DESTINY+ DDA Team
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会
• [Presentation] 超小型衛星搭載の展開膜面型ダストセンサーによる宇宙塵観測 (2021)
  • Author(s): 石丸 亮、小林 正規、奥平 修、木村 宏、坂本 祐二、藤田 伸哉、前田 恵介、松井 孝典
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会
• [Presentation] Current status and science of DESTINY+ (2021)
  • Author(s): 荒井 朋子、小林 正規、石橋 高、木村 宏、平井 隆之、洪 鵬、吉田 二美、尾崎 直哉、山本 高行、豊田 裕之、西山 和孝、今村 裕志、高島 建、デスティニープラス 理学チーム
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会
• [Presentation] Progress report of development and ground calibration of DESTINY+ Dust Analyser (2021)
  • Author(s): 平井 隆之、小林 正規、荒井 朋子、木村 宏、佐々木 晶、薮田 ひかる、天野 翠、小林 幸雄、伊藤 元雄、山口 亮、矢野 創、トリーロフ マリオ、ヒリアー ジョン、カワジャ ノゼア、エカート リサ、クルーガー ハラルド、シモルカ ヨナス、スラマ ラルフ
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会
• [Presentation] Particle size of Ryugu's subsurface layer inferred from observation of SCI crater’s ejecta curtain (2021)
  • Author(s): 和田 浩二、石橋 高、木村 宏、荒川 政彦、澤田 弘崇、小川 和律、白井 慶、本田 理恵、飯島 祐一、門野 敏彦、坂谷 尚哉、三桝 裕也、戸田 知朗、嶌生 有理、中澤 暁、早川 基、佐伯 孝尚、高木 靖彦、今村 裕志、岡本 千里、早川 雅彦、平田 成、矢野 創
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会
• [Presentation] DESTINY+ Dust Analyzer (DDA) で計測する星間ダストの化学組成やサイズ分布が如何に星間物質科学を発展させるのか (2021)
  • Author(s): 木村 宏、小林 正規、荒井 朋子、平井 隆之
  • Organizer: 日本惑星科学会2021年秋季講演会
• [Presentation] DESTINY+搭載用ダストアナライザの開発と地上較正計画 2021 (2021)
  • Author(s): 平井 隆之、小林 正規、荒井 朋子、木村 宏、 佐々木 晶、薮田 ひかる、天野 翠、小林 幸雄、伊藤 元雄、山口 亮、矢野 創、Tomas Ludwig、Winfried Schwarz、Jens Hopp、Trieloff Mario、Hillier Jon、Khawaja Nozair、Eckart Lisa、Postberg Frank、Simolka Jonas、Krueger Harald、Carsten Henselowsky、Srama Ralf、DESTINY+チーム
  • Organizer: 日本惑星科学会2021年秋季講演会
• [Presentation] DESTINY+プロジェクトの進捗とサイエンス (2021)
  • Author(s): 荒井 朋子、小林 正規、石橋 高、吉田 二美、木村 宏、平井 隆之、洪 鵬、山田 学、千秋 博紀、和田 浩二、Ralf Srama、Harald Krueger、今村 裕志、豊田 裕之、西山 和孝、高島 建、佐々木 晶、薮田 ひかる、石黒 正晃、渡部 潤一、伊藤 孝士、大坪 貴文、大塚 勝仁、他
  • Organizer: 日本惑星科学会2021年秋季講演会
• [Presentation] 宇宙塵探査実証衛星ASTERISCの開発状況 (2021)
  • Author(s): 石丸 亮、坂本 祐二、藤田 伸哉、小林 正規、前田 恵介、奥平 修、木村 宏、松井 孝典
  • Organizer: 第65回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] DESTINY+の理学ミッションとサイエンス (2021)
  • Author(s): 荒井 朋子、小林 正規、石橋 高、吉田 二美、木村 宏、平井 隆之、洪 鵬、岡本 尚也、山田 学、千秋 博紀、和田 浩 二、Srama Ralf、Krueger Harald、薮田 ひかる、佐々木 晶、伊藤 元雄、石黒 正晃、関口 朋彦、伊藤 孝士、大坪 貴文、渡部 潤一、他
  • Organizer: 第65回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] DESTINY+搭載用ダストアナライザの開発 (2021)
  • Author(s): 小林 正規、平井 隆之、木村 宏、荒井 朋子、Srama Ralf、Krueger Harald
  • Organizer: 第65回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] DESTINY+ダストアナライザの地上校正計画 (2021)
  • Author(s): 平井 隆之、小林 正規、荒井 朋子、木村 宏、佐々木 晶、薮田 ひかる、天野 翠、伊藤 元雄、小林 幸雄、山口 亮、矢野 創、Trieloff Mario、Ludwig Thomas、Schwarz Winfried、Hopp Jens、Hillier Jon、Khawaja Nozair、Postberg Frank、Eckart Lisa、Krueger Harald、Srama Ralf、Simolka Jonas、Henselowsky Carsten
  • Organizer: 第65回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] DESTINY+搭載用ダストアナライザによる星間物質科学 (2021)
  • Author(s): 木村 宏、小林 正規、荒井 朋子、平井 隆之、伊藤 元雄、Postberg Frank、Trieloff Mario、Altobelli Nicolas、Krueger Harald、Strub Peter、Redfield Seth
  • Organizer: 第65回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] Maximum polarization of comets and debris disks: any link to the ISM? (2021)
  • Author(s): Hiroshi Kimura
  • Organizer: Cosmic Lab II
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dust Science with the DESTINY+ Dust Analyzer (2021)
  • Author(s): Harald Krueger、Masanori Kobayashi、Ralf Srama、Tomoko Arai、Sho Sasaki、Hiroshi Kimura、Takayuki; Hirai、Mario Trieloff、Hikaru Yabuta、Motoo Ito、Nozair Khawaja、Jon Hillier、Maximilian Sommer、他
  • Organizer: Europlanet Science Congress 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Overview and Science of DESTINY+ (2021)
  • Author(s): Tomoko Arai、Masanori Kobayashi、Ko Ishibashi、Hiroshi Kimura、Takayuki Hirai、Peng Hong、Takaya Okamoto、Manabu Yamada、Hiroki Senshu、Koji Wada、Fumi Yoshida、Ralf Srama、Harald Krueger、Sho Sasaki、Hikaru Yabuta、Masateru Ishiguro、Tomohiko Sekiguchi、Motoo Ito、Junichi Watanabe、Takashi Ito、Takafumi Ootsubo、他
  • Organizer: Europlanet Science Congress 2021
  • Int'l Joint Research / Invited