2020 Fiscal Year Annual Research Report
Formation and topographic relaxation of spinning top-shaped asteroids
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19H01951
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
渡邊 誠一郎 名古屋大学, 環境学研究科, 教授 (50230967)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
桂木 洋光 大阪大学, 理学研究科, 教授 (30346853)
諸田 智克 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (30415898)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 小惑星 / 微惑星 / 粉体 / 回転変形 / 惑星探査 / 高速度回転装置 / 遠心力 / コマ型形状 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
コマ型小惑星の形状を決定する因子として、万有引力と遠心力を受ける砂礫集団の摩擦特性に特に注目し、その定量的評価を目指した数値シミュレーションと実験を進めた。粒子間凝集力の効果を実効的な摩擦角で表現した粉体平滑化粒子法により、高速自転粉体天体の挙動をシミュレートした結果、実効的摩擦角が大きく自転加速率が高い場合、表面の広範囲で起こる地滑り群によってコマ型形状が形成されることがわかった。
2019年度開発した砂山の回転変形実験装置を用いて、擬二次元セル内に様々な粉体粒子を入れて作成した砂山形状が、回転による遠心力を加えることにより徐々に変形する様子を撮影することに成功した。実験で得られた画像を系統的に解析することにより表面プロファイルの遷移を抽出し、重力・遠心力・摩擦力のバランスに基づくシンプルな解析的モデルで、実験結果を精度良く説明できることが分かった。これにより、従来精度良く評価することが難しかった粉体摩擦角の重力（体積力）依存性を明確に示すことに成功した。この結果は、粉体摩擦の重力依存性の検証に、従来にはない新たな手法で迫ることにより成功したことを示す画期的な成果であると言える。これらの成果を複数の論文にまとめつつある。
小惑星リュウグウの表面流動の流動形態、流動方向とその時間スケールを制約するために、「はやぶさ２」光学航法カメラデータを用いた天体表面の地形解析、岩塊の同定とその長軸方向の解析を行った。岩塊長軸方向を調査から、直径2 m以下の岩塊の長軸方向は特定の方向に配向している一方で、直径4 m以上の岩塊はその傾向が弱いことがわかり、分級が進行していることが示唆された。また、岩塊表面上の微小クレータの計測も実施して、リュウグウ表面の岩塊の衝突破壊に対する寿命を100万年未満と見積もった。本課題の準備過程を含めた成果はScience等の論文に盛り込まれた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
理由
数値シミュレーションの主要部分である粉体平滑化粒子法（SPH）については、順調に結果の解析が進み、コマ型形状生成が実効摩擦角が大きく、自転加速率が高いときに生成されることを明らかにできた。結果をまとめて、論文を投稿した。一方、米国の研究協力者との打ち合わせで進める予定であった、有限要素法でのシミュレーションとの比較については、COVID-19の影響により、海外出張ができず、進んでおらず、海外での成果発表もできなかったため、繰越を行い，来年度状況をみて方針を決定する予定である。
粉体回転実験に関しては、粉体摩擦の重力依存性の検証に、従来にはない新たな手法で成功したことは画期的な成果と言える。変形をもたらしている流動が表面に局在しているかどうかを調べるために，着色されたガラスビーズを用いて層構造を持つ砂山を作成して変形させる実験から、変形は表面数粒子程度の変形に局所化されていることがを明らかにできた点も高く評価できる。物理機構を同定するため、充填率の測定も試みたが、実験系の三次元効果などにより、現在の実験系では精度良く充填率を見積もることは難しいことが分かった。これらの室内実験で得られた結果より、小惑星リュウグウのコマ型地形が過去の高速自転により形成され、保持されている可能性について肯定的な根拠を与えた。本年度研究予算は，装置改良費および研究打合せ実施の旅費等に主に充てた．実験，解析の主要部分はほぼ終えることができ，研究は概ね順調に進展している。
探査画像解析では、メートルサイズの岩塊の寿命は、リュウグウ表面のクレーター年代 (約800万年) よりも若いことを明らかにし、岩塊のサイズ分布はリュウグウ形成時と比較して大きく変化してきたことを示唆する重要な成果を得た。2020年度に購入した計算機及びペンタブレットは，岩塊表面の微小クレータの同定と，その形状計測に活用された．
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| Strategy for Future Research Activity |
数値シミュレーションに関しては、コマ型形状生成の基本的なメカニズムを明らかにする論文投稿することができ、来年度には掲載される見込みである。解析からわかった非対称な地滑りの影響については今後さらに検討を深める予定である。また、リュウグウの自転史を明らかにするために研究協力者とともに熱放射による自転変化（YORP効果）を解析しており、その結果を整理する予定である。さらに、クレーター形成時の高速自転の影響についても、数値シミュレーションを行う予定である。
高速度回転実験系に関しては、設計・製作・テストは目標通り進展している。コマ型小惑星の形状を決定する因子として、万有引力と遠心力を受ける砂礫集団の摩擦特性に特に注目し、その定量的評価を詰める予定である。遠心力を重力に比べて十分大きくすることのできる実験系を構築でき、摩擦を持つ粉体・砂礫が重力と遠心力同時にを受けたときの挙動を十分な精度で観察でき、その基礎物理挙動解析に耐え得るものとなったと評価できるため、実験装置の特許申請を行う予定である。探査画像解析に関しては、地形緩和度のクレーターサイズ依存性や地域依存性を調査し、既存の緩和過程モデルとの比較を行う予定である。
リュウグウは過去に現在よりも高速自転していたと考えられており、その場合に表面の傾斜方向が変化することから、様々な自転速度のケースで斜面方向と岩塊の長軸方向との関係を調べることで、流動が起こった時代を制約しようと計画している。 さらに、岩塊の衝突破壊モデルを用いて、岩塊のサイズ分布進化を計算し、リュウグウ初期の岩塊サイズ分布を推定するとともに、流動への影響を検討する予定である。
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[Journal Article] Crater depth-to-diameter ratios on asteroid 162173 Ryugu2021
Author(s)
Noguchi R.、Hirata N.、Hirata N.、Shimaki Y.、Nishikawa N.、Tanaka S.、Sugiyama T.、Morota T.、Sugita S.、Cho Y.、Honda R.、Kameda S.、Tatsumi E.、Yoshioka K.、Sawada H.、Yokota Y.、Sakatni N.、Hayakawa. M.、Matsuoka M.、Yamada M.、Watanabe S.
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Journal Title
Icarus
Volume: 354
Pages: 114016～114016
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Thermally altered subsurface material of asteroid (162173) Ryugu2021
Author(s)
Kitazato K.、Milliken R. E.、Iwata T.、Abe M.、Ohtake M.、Matsuura S.、Takagi Y.、Nakamura T.、Hiroi T.、Matsuoka M.、Riu L.、Nakauchi Y.、Tsumura K.、Arai T.、Senshu H.、Hirata N.、Barucci M. A.、Brunetto R.、Pilorget C.、Poulet F.、... 、Morota T.、... Watanabe S.、Tsuda Y.
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Journal Title
Nature Astronomy
Volume: 5
Pages: 246～250
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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