大規模シミュレーションによる小惑星カリクロのリング構造の研究

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K14378
• Research Institution: Kyoto Women's University
• Principal Investigator: 道越 秀吾 京都女子大学, 現代社会学部, 助教 (60572229)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 太陽系 / 小惑星 / リング / 数値シミュレーション

Outline of Annual Research Achievements

2014年に土星と天王星の間の軌道を周回するケンタウロス族の小惑星カリクロの周囲に，内側と外側に２つに隔てられた二重のリング構造の存在が確認された．惑星以外で確認された初めてのリング構造である．本研究の目的は，数値シミュレーションによって小惑星リングの詳細な構造や形成維持のメカニズムを解明することである．これまでの研究で，この二重リングの大規模N体シミュレーションを行なった．その結果，環には自己重力ウェイク構造という複雑で動的な微細構造が生じることがわかっている．先行研究ではシミュレーションが行われていなかったため，このような構造の存在は知られていなかった．この構造が存在する場合，一様なリングに比べて，リングの拡散が飛躍的に早まると考えられる．その拡散が進行する時間尺度の見積もりは，先行研究で想定されてきたリング年齢に比べて著しく早い．一方で観測的には実際は顕著な拡散は生じていないため，なんらかの拡散を抑える機構が必要となる．そのため未発見の衛星が存在し，リング拡散が抑えられている可能性があることを議論した．また，このリングは二重リングとなっており空隙で隔てられている．空隙は粘性拡散によって消失するはずであるが，空隙がはっきりと残っているため，構造が維持される機構が働いていると考えられる．これも同様に衛星との相互作用によって生じている可能性がある．そこで，次のステップとして環と衛星の相互作用の理論およびシミュレーションによる研究を開始した．環と衛星が同時に存在する場合の環の進化やその際に生じる構造について調べている．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

2019年度以降の研究計画は，リング近傍の衛星の効果の検討である．2019年度は，衛星・リング相互作用に関するシミュレーションの研究に着手し，試行的なシミュレーションを繰り返している．土星の環では，キーラー空隙やエンケ空隙の中に小規模な衛星があることが知られているため，2020年度の研究として，初めは二重の環ではなく１つの一様な環であったが，そのような環の中に衛星が埋め込まれている場合に何が起こるかを検討した．シミュレーションの結果，衛星の作用で環が内側と外側に分離し二重になることが確認された．その間隙の広さなどは理論的予測と概ね整合的である．このように衛星の作用で環が二重になるという基本的な結果は得られたが，現実の観測との対応やパラメータサーベイなど研究成果をまとめるための最終的な結果が得られておらず，シミュレーションやその解析手法，理論的解釈なども含めて現在進行中である．これらは，当初予定していた計画からやや遅れているといえる．

Strategy for Future Research Activity

これまでの研究により，リングが分裂しないための条件が得られた．しかし，分裂しない場合でも，自己重力ウェイク構造という複雑な微細構造が生じ，リング拡散が飛躍的に早まることが分かった．リングの年齢は形成論的な観点から100万年以上であることが推測される．一方で，自己重力ウェイク構造によって数100年程度の時間で拡散するため，リング年齢と矛盾が生じる．そのため，何らかの効果によって，リング拡散が抑えられていると考えられる．その候補の1つはリング近傍の未発見の衛星である．衛星による拡散の抑制については，理論研究が行われているものの，数値シミュレーションによる研究が行われていない．また，研究実績でも述べたように二重リングになっていることも衛星が関係している可能性がある．環の中に埋め込まれた衛星が存在した場合は，確かに二重リングになることは分かったが，これらが環の拡散時間を抑えることにつながるか不透明であるため更なる研究が必要である．そこで最終年度である今年度は，拡散過程と衛星の関係について議論をする

Causes of Carryover

当初計画では，計算サーバおよび解析サーバを年度内に導入する予定であった．しかし，シミュレーションの研究の進捗が遅れたことと，世界的なGPUのハードウェアの需給逼迫のために，年度内に当初予定していた計算サーバを導入することができなかった．そのため，年度中に一部のサーバ群の購入を見送っため，繰越金が生じた．今年度は高速なシミュレーションを実行するためのGPUと解析のためのサーバとストレージを導入する予定である．